En el desarrollo de la investigación se citaran los diferentes tipos de intercambiadores de calor permitiendo establecer los siguientes puntos esenciales que resumen los tipo de intercambiadores de calor.
• Existen dos métodos para la construcción de intercambiadores de calor: Tipo Plato y Tipo Tubo.
• En un intercambiador de flujo paralelo el fluido con mayor temperatura y el fluido con menor temperatura fluyen
en la misma dirección.
• En un intercambiador de Contraflujo el fluido con mayor temperatura y el fluido con menor temperatura fluyen
en con la misma dirección pero en sentido contrario.
• En un intercambiador de flujo cruzado el fluido con mayor temperatura y el fluido con menor temperatura fluyen
formando un ángulo de 90◦ entre ambos, es decir perpendicular uno al otro.
• Los intercambiadores de un solo paso tienen fluidos que transfieren calor de uno a otro una sola vez.
• Los intercambiadores de múltiple paso tienen fluidos que transfieren calor de uno a otro más de una vez a través
del uso de tubos en forma de "U" y el uso de bafles.
• Los intercambiadores de calor regenrativos usan el mismo fluido para calentar y enfriar.
• Los intercambiadores de calor no-regenerativos usan fluidos separados para calentar y enfriar.
Comparación de tres tipos de intercambiadores
Cada uno de los tres tipos de intercambiador que se mencionaran y usaran como ejemplo presenta ventajas y desventajas en su aplicación. Pero se puede decir que
el diseño de intercambiador de contraflujo es el más eficiente de los tres cuando se compara la razón de transferencia
de calor por unidad de área de superficie. La eficiencia de un intercambiador de contraflujo se debe al hecho que la
diferencia de temperatura ∆T entre los dos fluidos sobre la longitud del intercambidor de calor es máximizada como
se muestra en la figura 1.
Intercambiador de contraflujo. figura (1)
Por lo que la diferencia de temperatura media logarítmica para un intercambiador de
contraflujo es mayor que la que ocurre en intercambiadores de flujo paralelo o flujo cruzado. Esto se puede observar
al comparar las figuras (1), (2) y (3).
Intercambiador de calor de flujo paralelo.figura (2)
Intercambiador de calor de flujo cruzado.figura(3)
El siguiente ejercicio muestra como una mayor diferencia de temperatura media
logarítmica resulta en una razón más grande en la transferencia de calor
Considerando que la diferencia de temperatura media logarítmica se puede escribir como
LMTD = ∆T1 − ∆T2
ln /(∆T1/∆T2 )
y la transferencia de calor es por conducción y convección, la razón de transferencia de calor se puede escribir como:
q = USFθm
q = Uo.Ao (LMTD)
donde q [BTU/h] es la razón de transferencia de calor; Uo
£
BTU/h · f t2 · ◦F
¤
es el coeficiente de transferencia de calor
global, Ao
£
f t2
¤
es el área de transferencia de calor de sección transversal y LMTD [
◦F] es la diferencia de temperatura
media logarítmica.
Consideramos un intercambiador de calor que es operado bajo condiciones idénticas de temperatura pero en una
ocación con contraflujo y en otra ocación con flujo paralelo. Así que las condiciones son:
donde T1 representa la temperatura del fluido con mayor temperatura y T2 es la temperatura del fluido con menor
temperatura, los subíndices in y out representan entrada y salida, respectivamente.
Para el caso de contraflujo tenemos:
Para el caso de flujo paralelo:
De esta manera el flujo de calor para el caso de contraflujo es
Mientras que para el caso en flujo paralelo
Este resultado muestra que dadas las mismas condiciones de operación térmicas de operación del intercambiador
de calor, la transferencia de calor es mayor en de contraflujo que en el de flujo paralelo.
Aplicaciones de los intercambiadores de calor
Los intercambiadores de calor se encuentran en muchos sistemas químicos o mecánicos. Estos sirven como su nombre
lo indica para ganar calor o expeler calor en determinados procesos. Algunas de la aplicaciones más comunes se
encuentran en calentamiento, ventilación, sistemas de acondicionamiento de espacios, radiadores en máquinas de
combustión interna, calderas, condensadores y precalentadores o enfriamiento de fluidos. En este blog se menciona algunas aplicaciones específicas de intercambiadores de calor. Se intenta proveer varios ejemplos específicos de cómo
funciona un intercambiador de calor en un determinado sistema claro está que no se cubren todas las aplicaciones
posibles.
En sistemas de vapor de gran escala o en sistemas donde se requieren grandes temperaturas el fluido de entrada es
comúnmente precalentado en etapas en lugar de tratar de calentar dicho fluido en una sola etapa desde el ambiente
hasta la temperatura final. El precalentamiento en etapas incrementa la eficiencia del la planta y minimiza el choque
térmico de los componentes que es el caso de inyectar fluido a temperatura ambiente en una caldera u otro dispositivo
operando a alta temperatura. En el caso de sistemas de generación de vapor una porción del vapor generado es
sustraído y utilizado como fuente de calor para recalentar el agua de alimentación en etapas.Un intercambiador de calor de agua de alimentación
con tubos en forma de "U" de una planta de generación de potencia para la etapa del precalentador. Al entrar el vapor
al intercambiador de calor y fluir alrededor de los tubos éste transfiere su energía térmica y se condensa;permitiendo que el vapor entra por la parte superior de la carcaza del intercambiador de calor donde transfiere no solamente
el calor sensible (cambio de temperatura) sino también transfiere su calor latente de la vaporización (condensación
del vapor en agua). El vapor condensado entonces sale como líquido en el fondo del intercambiador de calor. El
agua de alimentación entra al intercambiador de calor en el extremo inferior derecho y fluye por los tubos.
Comúnmente los intercambiadores de calor están pensados como dispositivos líquido a líquido solamente. Pero un
intercambiador de calor es cualquier dispositivo que transfiere calor a partir de un fluido a otro fluido. Algunas plantas
dependen de intercambiadores de calor aire/liquido. El ejemplo más familiar de un intercambiador de calor aire a líquido
es un radiador de automóvil. El líquido refrigerante fluye por el motor y toma el calor expelido y lo lleva
hasta el radiador. El líquido refrigerante fluye entonces por tubos que utilizan aire fresco del ambiente para reducir la
temperatura del líquido refrigerante. Ya que el aire es un mal conductor del calor, el área de contacto térmico entre
el metal del radiador y el aire se debe maximizar. Esto se hace usando aletas en el exterior de los tubos. Las aletas
mejoran la eficacia de un intercambiador de calor y se encuentran comúnmente en la mayoría de los intercambiadores
de calor del aire/líquido y en algunos intercambiadores de calor líquido/líquido de alta eficacia.
- Aire acondicionado, evaporador y condensador
Todos los sistemas de aire acondicionado contienen por lo menos dos intercambiadores de calor, generalmente llamados
evaporador y condensador. En cualquier caso el evaporador o el condensador el refrigerante fluye en el intercambiador
de calor y transfiere el calor ya sea ganándolo o exponiéndolo al medio frío. Comúnmente el medio frío es aire o agua.
En el caso del condensador el gas refrigerante caliente de alta presión se debe condensar a en un líquido subefriado. El
condensador logra esto enfriando el gas al transferir su calor al aire o al agua. El gas enfriado es entonces condensado
en líquido. En el evaporador, el refrigerante subenfriado fluye en el intercambiador de calor, y el flujo del calor se
invierte, con el refrigerante relativamente frío se absorbe calor absorbido del aire más caliente que fluye por el exterior
de los tubos. Esto enfría el aire y hace hervir al refrigerante.
El condensador del vapor es un componente importante del ciclo del vapor en instalaciones
de generación de potencia. Es un recinto cerrado en el cual el vapor sale de la turbina y se fuerza para ceder su calor
latente de la vaporización. Es un componente necesario del ciclo del vapor por dos razones. La primera convierte
el vapor usado nuevamente en agua para regresarla al generador o a la caldera de vapor como agua de alimentación.
Esto baja el costo operacional de la planta permitiendo reutilizar el agua de alimentación, y resulta más fácil bombear
un líquido que el vapor. La segunda razón aumenta la eficiencia del ciclo permitiendo que el ciclo funcione opere
con los gradientes más grandes posibles de temperatura y presión entre la fuente de calor (caldera) y el sumidero de
calor (condensador). Condensando el vapor del extractor de la turbina la presión del extractor es reducida arriba de
la presión atmosférica hasta debajo de la presión atmosférica, incrementando la caída de presión del vapor entre la
entrada y la salida de la turbina de vapor. Esta reducción de la presión en el extractor de la turbina genera más calor
por unidad de masa de vapor entregado a la turbina, por conversión de poder mecánico. Ya que ocurre condensación,
el calor latente de condensación se usa en lugar del calor latente de vaporización. El calor latente del vapor de la
condensación se pasa al agua que atraviesa los tubos del condensador. Después de que el vapor condensa, el líquido
saturado continúa transfiriendo calor al agua que se enfría al ir bajando hasta el fondo del condensador. Algunos
grados de subenfríado previenen la cavitación de la bomba.
Conclusiones
El diseño térmico de los intercambiadores es un área en donde tienen numerosas aplicaciones los principios de transferencia
de calor.
El diseño real de un intercambiador de calor es un problema mucho más complicado que el análisis de la transferencia
de calor porque en la selección del diseño final juegan un papel muy importante los costos, el peso, el tamaño y las
condiciones económicas.
Así por ejemplo, aunque las consideraciones de costos son muy importantes en instalaciones grandes tales como
plantas de fuerza y plantas de proceso químico las consideraciones de peso y de tamaño constituyen el factor predominante
en la selección del diseño en el caso de aplicaciones especiales y aeronáuticas.
Luis Peraza
CI:18838853
