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Intercambiadores de calor Este capi tulo dedicado a los intercambiadores de calor quizás sea el más importante en un curso de transferencia de calor. Esta aseveración se realiza en virtud de que en este tema se integran todos los conocimientos adquiridos previamente, y lo que es más importante aún todo ese cúmulo de conocimientos serán uti l izados en el diseño o selección de un disposi t ivo de mucha uti l idad práctica como lo es el intercambiador de calor. A la hora de seleccionar un intercambiador de calor existen varios factores que influyen, para realizar una adecuada selección. Entre el los mencionaremos • Flujo de calor • Tamaño y peso • Caída de presión • Economía En este capi tulo nos concentraremos en describir fundamentalmente la metodología para el análisis y selección de intercambiadores de calor, desde el punto de vista térmico. En este sentido destacan las siguientes técnicas de análisis Factor de corrección- Diferencia de temperatura logarítmica media (F- LMTD), y Efectividad- Número de unidades de Transferencia ( ε -NTU) De tal manera que el objetivo fundamental de este capi tulo lo consti tuye en primer término conocer los distintos tipos de intercambiadores y f inalmente describir las dos técnicas de análisis antes señaladas, destacando las ventajas y desventajas de una y otra técnica. Tipos de intercambiadores de calor. Los intercambiadores de calor se clasi fican en 4 tipos. Intercambiadores de: 1. Doble Tubo 2. Carcaza y Tubo 3. Flujo Cruzado 4. Compacto Doble Tubo : Es el intercambiador más senci l lo, por el tubo interno circula uno de los fluidos, mientras que el otro fluido circula por el espacio anular. Dependiendo del sentido del flujo se clasi f ica en Flujo paralelo y Flujo contracorriente , este intercambiador se muestra en la Figura 4.1 Figura 4.1 Intercambiador de doble tubo. Carcaza y tubo: Es el intercambiador más ampl iamente usado en la industria. En este intercambiador un f luido fluye por el interior de los tubos, mientras el otro es forzado a través de la carcaza y sobre el exterior de los tubos. Para asegurar que el fluido por el lado de la carcaza fluya a través de los tubos e induzca una mayor transferencia de calor, se colocan, deflectores ó placas verticales. Es corriente encontrar intercambiadores de calor de 2,4,8,etc. pasos de tubos. De la misma manera existe la posibil idad que exista varios pasos de carcaza. Figura 4.2 Intercambiador de carcaza y tubo Flujo cruzado : al ternativamente los f luidos pueden moverse en flujo cruzado (perpendicular uno al otro), tal como se señala en la f igura 4.3. Los intercambiadores en flujo cruzado se ut i l izan comúnmente en procesos de enfriamiento o calentamiento de aire o gas. En la Figura 4.3 se señala a dos tipos de intercambiadores de calor de flujo cruzado. Las dos configuraciones di f ieren de acuerdo si el fluido que se induce sobre los tubos esta mezclado o sin mezclar. Un fluido se dice que esta sin mezclar debido a que las aletas previenen el movimiento en la dirección (y) que es la dirección transversal a la dirección del flujo principal (x). En este caso la temperatura del f luido varia con x y con y. Figura 4.3 Intercambiador de f lujo cruzado En contraste para el haz de tubo sin aletear, el movimiento del f luido, se dice que esta mezclado ya que la temperatura no cambia en la dirección transversal , siendo función exclusiva de la dirección del f lujo principal . Dado que el flujo dentro de los tubos esta sin mezclar, ambos fluidos se dicen que están sin mezclar en el intercambiador aleteado, mientras que un fluido esta mezclado y el otro sin mezclar en el intercambiador no- aleteado. Es importante destacar que la condición de mezclado y sin mezclar del intercambiador influencia signi ficativamente el funcionamiento del intercambiador de calor. Figura 4.4 Intercambiadores compactos Compacto : Intercambiadores de calor con relación área superficial /volumen, VAs/=β mayores que 700 32 / mm se denominan intercambiadores de calor compacto, debido a su pequeño tamaño y peso, los intercambiadores de calor compactos prevalecen en la industria automotriz, industria aéreo - espacial y en sistemas marinos. Un espectro de intercambiadores de calor basado en el parámetro β es mostrado en la Figura 4.5 Figura 4.5 Espectro del parametro 2 3( / )m mβ Un intercambiador de carcaza y tubo típico con tubos de 25,4 mm de diámetro, el cual es comúnmente uti l izado en los condensadores de las plantas de generación de potencia, poseen un valor de 32 / 130 mm=β . Por otra parte, los radiadores de los nuevos automóvi les con 5,5 aletas/cm (14 aletas/pulgada) cali f ican como intercambiadores de calor compacto dado que poseen 32 / 1001 mm=β equivalente a tubos de 3 mm de diámetro. Curiosamente los pulmones humanos son disposi t ivos de transferencia de calor y masa extraordinariamente compactos ya que poseen un valor de, 32 / 75001 mm=β equivalente a tubos de 0,19 mm de diámetro. Coeficiente Global de Transferencia de Calor. A di ferencia de los procesos estudiados anteriormente, la temperatura superficial o los flujos de calor no son especi f icados para los intercambiadores de calor. Esta compl icación es resuelta mediante la uti l ización del Coeficiente Global de Transferencia de Calor definido en el Capitulo I. Este coeficiente es definido en términos de la resistencia térmica total a la transferencia de calor entre dos fluidos. Cuando consideramos fluidos de un intercambiador de calor f luyendo fuera y dentro de un tubo, Figura 4.6 Figura 4.6 Coeficiente global de transferencia de calor para un tubo De manera que podemos escribir que: ii iii AhkL rr Ah AUAU 1 2 )/ln(1 111 0 00 00 ++ == π Donde 0U , designa al coeficiente global de transferencia de calor, referido al área externa, y de igual forma, iU se refiere al coeficiente global de transferencia de calor referido al área interna. Dicha distinción es necesaria, debido a que el área disponible para transferencia de calor no es constante sino se crece cuando se avanza radialmente. En la tabla siguiente se muestra valores típicos del coeficiente global de Transferencia de calor, U Situación Física ]/[ 2kmWU Ventana Placa- Vidrio 6,20 Condensador de Vapor 1000-5000 Calentador de suministro de agua 1000-8000 Intercambiador de calor Agua- Agua 850-1700 Intercambiador de calor Agua- Aceite 110-340 Factor de encrustamiento. Las expresiones anteriores para el coeficiente global de transferencia de calor, son válidas para tubos limpios. Como es bien conocido las superficies interior de los tubos de un intercambiador de calor no permanecen l impias después de varios meses de operación. Se forman escamas o depósi tos en la superficie interior. La acumulación de escamas o depósi tos en el interior de los tubos, pueden afectar severamente el valor del coeficiente global de transferencia de calor,U El efecto global de los depósi tos se cuanti fica por el denominado Factor de encrustamiento o Factor de suciedad, "Rf el cual se determina experimentalmente. Su efecto neto consiste en incrementar la resistencia la f lujo de calor, o que en otras palabras disminuir el coeficiente global de Transferencia de calor. "Rf , se relaciona con el coeficiente Global teórico, mediante la siguiente expresión: " teóricooperación 11 Rf UU += A continuación se presenta una Tabla con valores típicos de el factor de encrustamiento. Tipo de Fluido ]/[ 2" KmWRf Agua de mar por debajo de 50 C 0,0001 Vapor 0,0001 Agua de mar por encima de 50 C 0,0002 Refrigerantes 0,0002 Aire Industrial 0,0004 Aceite de Combustibles 0,0010 Análisis Térmico de un intercambiador de calor. El objetivo de un anál isis térmico de un intercambiador de calor es el de ser capaces de expresar la cantidad total de calor transferido, q, del f luido cal iente al fluido frío,en términos del coeficiente global de transferencia de calor. El área de transferencia de calor A, y las temperaturas de entrada y sal ida de los f luidos caliente y frío. Un balance de energía da como resul tado: [ Energía perdida por el f lu jo cal iente]= [Energía ganada por el f lu jo f río] o bien: )()( 0,,0,, ciccchihhh TTcmTTcm −=− donde: hm : Flujo másico del f luido caliente hc : Calor específico del f luido cal iente ihT , :Temperatura de entrada del fluido caliente 0,hT :Temperatura de sal ida del fluido caliente cm : Flujo másico del f luido frío cc : Calor específico del fluido frío icT , : Temperatura de entrada del f luido frío 0,cT : Temperatura de sal ida del fluido frío El producto )( cm⋅ aparece con frecuencia en el análisis de intercambiadores de calor y es denominado, Capacidad calorífica, C , )( cmC ⋅= Existen dos metodologías de anál isis térmico de intercambiadores de Calor. 1. Método F-LMTD 2. Método ε - NTU A continuación presentaremos el anál isis F-LMTD Diferencia de temperatura media logarítmica. Considérese el intercambiador de calor de doble tubo mostrado en la Figura 4.7, el cual opera en f lujo paralelo: Figura 4.7 Distribución de temperaturas en un intercambiador de doble tubo en f lujo paralelo Se propone calcular el flujo de calor mediante: mTAUq ∆= donde: q : Flujo de calor [ W] U : Coeficiente Global de transferencia de calor, ]/[ 2KmW A: Área de transferencia de calor consistente con U . mT∆ : Di ferencia de temperatura media En la f igura 4.7 se muestra la historia de las temperaturas de los fluidos fríos y cal ientes, de este modo un balance de energía nos da como resul tado. hhhcccq dTcmdTcmd −== incorporando la capacidad calorífica, y rearreglando, obtenemos: h h C dq dT = c c C dq dT = Restando ambas ecuaciones, +−=−=− ch chch CC dqTTddTdT 11 )( susti tuyendo la expresión de calor expresada por: dATTUdq ch )( −= Se obtiene la siguiente ecuación di ferencial : dA CC TTU TT TTd ch Ch Ch Ch +−−= − − 11 )( )( Integrando la ecuación anterior entre el punto 1 y el punto 2, se obtiene: A CC U T T ch +−= ∆ ∆ 11 ln 1 2 Sí icoc c TT q C ,, − = ohih h TT q C ,, − = De manera que susti tuyendo las ecuaciones anteriores en la ecuación previamente integrada, obtenemos: A q TT q TT U T T ohihicoc − + − −= ∆ ∆ ,,,, 1 2ln Reescribiendo la ecuación anterior: ( ) )()()(ln 12,,,, 1 2 TT q UA TTTT q UA T T ihicohoc ∆−∆=−−−−= ∆ ∆ que al despejar de la ecuación anterior, q , se t iene: 1 2 12 ln )( T T TT UAq ∆ ∆ ∆−∆= de la úl tima ecuación se reconoce: 1 2 12 ln )( T T TT LMTDTm ∆ ∆ ∆−∆==∆ donde LMTD son las siglas en inglés de Logari thm Mean Temperature Difference (Diferencia de temperatura logarítmica media). En forma simi lar para un intercambiador de doble tubo, operando en fi jo en contracorriente, tal como el indicado en la Figura 4.8 Figura 4.8 Distribución de temperaturas en un intercambiador de doble tubo en contraflujo Se tiene que LMTD, viene dada por: 1 2 12 ln )( T T TT LMTDTm ∆ ∆ ∆−∆==∆ Por tanto se veri f ica que aplica la misma expresión para LMTD, tanto en flujo paralelo, como en contracorriente. Para el caso particular de operación en contracorriente, en el cual ambos fluidos poseen la misma capacidad caloríf ica, hc CC = , se obtiene que 21 TT ∆=∆ , de manera que se presenta una indeterminación en el cálculo de mT∆ , que al solventar aplicando la regla L’hopital se obtiene finalmente que 21 TTTm ∆=∆=∆ . Ejemplo 4.1 Se desea enfriar 0,63 Kg./s de acei te, con un kJ/kg. k,c 353= , de 125 C a 65 C . Se dispone de agua, kJ/kg. kc 18,4= , y un flujo másico de 0,57 Kg./s a la temperatura de 10 C , el coeficiente global de transferencia de calor es de KmW 2/ 85 . Determinar la longi tud del tubo de 3 cm de diámetro interior que se necesi ta en un intercambiador de doble tubo en (a) Flujo en contracorriente, y (b) Flujo paralelo. Datos Solución sKgmc /57,0 = sKgmh /63,0 = sKgcc / ,184 = sKgch / ,353 = KmWU 2/ 85= mD 03,0= (a) Contracorriente CT oh 65, = CT ic 10, = ocT , CT ih 125, = Cálculo del calor, q KWTTcmq ohihhh 63,126)65125(35,363,0)( ,, =−⋅⋅=−= Cálculo de ocT , )( ,, icoccc TTcmq −= C 15,6310 18,457,0 63,126 ,, =+ ⋅ =+= ic cc oc T cm q T Cálculo de LMTD 21 x T 85,611 =∆T 125, =ihT 15,63, =hcT Fluido caliente Fluido frío 552 =∆T 65, =ohT 10, =icT C 36,58 85,61 55 ln )85,6155( ln )( 1 2 12 =−= ∆ ∆ ∆−∆= T T TT LMTSD Cálculo del área de transferencia de calor y de la longi tud de los tubos 2 53,25 36,5885 126630 m TU q A m = ⋅ = ∆ = LDA π= m D A L 5,270 03,01416,3 53,25 = ⋅ == π (b) Flujo paralelo El perfi l de temperaturas se presenta a continuación 21 x T 85,11 =∆T 65, =ohT 15,63, =icT Fluido caliente Fluido frío 1152 =∆T 125, =ihT 10, =ocT C 4,27 85,1 115 ln )85,1115( ln )( 1 2 12 =−= ∆ ∆ ∆−∆= T T TT LMTSD Cálculo del área de transferencia de calor y de la longi tud de los tubos 2 38,54 4,2785 126630 m TU q A m = ⋅ = ∆ = LDA π= m D A L 9,576 03,01416,3 38,54 = ⋅ == π Comentarios: La operación en contracorriente es marcadamente superior a la operación en paralelo del intercambiador. Intercambiadores de carcaza y tubo y Flujo Cruzado. Si se usa un intercambiador de calor di ferente del tipo de doble tubo, la transferencia de calor se calcula usando un factor de corrección, F aplicado al valor LMDT, por tanto mTAUq ∆= LMTDFTm ⋅=∆ 1 2 12 ln )( T T TT LMTD ∆ ∆ ∆−∆= Expresiones algebraicas para el factor de corrección, F, han sido desarrolladas para diversos configuraciones de intercambiadores de carcaza y tubo e intercambiadores tubo cruzado , ( TEMA 1978). Y loa resul tados pueden ser presentados en forma gráfica , tales como los mostrados en la Figura 4.7 a 4.10 la notación (T,t) es usada para especi ficar las temperaturas de los f luidos, con la variante t siempre asignada al fluido que circula por los tubos. Con esta convención no hay problema si es el f luido caliente o frío el que fluye por los tubos o por la carcaza. Una importante impl icación de las Figuras 4.7 a 4.10 es que, si el cambio de temperatura del f luido es despreciable, P o R son cero y por tanto F=1. Independientemente de la configuración del intercambiador. Esta si tuación se presenta cuando uno de los f luidos presenta un cambio de fase. Ejemplo 4.2 Eti len-glicol y agua a 60 C y 10 C, respectivamente entran a un intercambiador de carcaza y tubo para el cual el área de intercambio de calor es de 15 2m . El eti len-glicol ci rcula por la carcaza y el agua por los tubos. Los flujos másicos de eti len-gl icol y de agua son de 2 y 5 Kg./s, respectivamente. El coeficiente global de transferencia de calor es de 80 KmW 2/ . Determine el f lujo de calor y las temperaturas de sal ida del agua y del eti len-glicol . 21 x T 1T∆ CT ih 60, = ocT , Fluido caliente Fluido frío 2T∆ C 10, =icTAgua Etilen-glicol Datos CTT iih 60, == CtT iic 10, == KmWU 2/ 800= sKgmh / 2= sKgmc / 5= KKgJch / 2474= KKgJcc / 4186= Solución mTAUq ∆= LMTDFTm ⋅=∆ 1 2 12 ln )( T T TT LMTD ∆ ∆ ∆−∆= El factor F es función de dos variables P y R, F(P,R) Donde: icih icoc ii io TT TT tT tt P ,, ,, − − = − − = icoc ohih io oi TT TT tt TT R ,, ,, − − = − − = )()( ,,,, icocccohihhh TTcmTTcmq −=−= KWCcm hhh / 494824742 =⋅== KWCcm ccc / 2093054186 =⋅== Debido a que las temperaturas de sal ida de los f luidos son desconocidas es necesario real izar un procedimiento de ensayo y error. El procedimiento se describe a continuación: 1. Se propone ocT , 2. Se determina el calor, y se halla ohT , 3. Conocidas todas las temperaturas se calcula LMTD 4. Se determina el factorde corrección F 5. Se calcula el nuevo calor y se veri fica si los calores coinciden. A continuación se describe el proceso paso a paso. 1. Se propone C 15 , =ocT 2. Se determina el calor, y se halla ohT , W104650)1015( 41865)( ,, =−⋅=−= icochc TTcmq 85,38)1015( 4948 20930 60)( ,,,, =−−=−−= icoc h c ihoh TT C C TT 3. Conocidas todas las temperaturas se calcula LMTD. C 32,36 )1085,38( )1560( ln ))1085,38()1560(( ln )( 1 2 12 = − − −−−= ∆ ∆ ∆−∆= T T TT LMTD 4. Se determina el factor de corrección F 10,0 1060 1015 ,, ,, = − −= − − = − − = icih icoc ii io TT TT tT tt P 23,4 1015 25,3860 ,, ,, = − −= − − = − − = icoc ohih io oi TT TT tt TT R con los valores de P=0,10 y R= 4,23 se va a la Figura 4.7 , de la cual se lee: F=0.98 5. Se calcula el nuevo calor y se veri fica si los calores coinciden. WLMTDFAUq 42712332,3698,015800 =⋅⋅⋅== Se observa que los calores no coinciden, de manera que debe proponerse una nueva temperatura ocT , los resul tados son tabulados para el caso anterior y para una nueva temperatura, CT oc 20, = ocT , q ohT , LMTD P R F )1(q qq −)1( 15 104650 38,85 36,32 0,10 4,23 0,98 427123 322473 20 209300 17,7 19,60 0,20 4,23 0,80 188160 -21140 En la tabla anterior se observa que hay un cambio de signo en los calores, qq −)1( . Así que interpolando linealmente, se hal la la temperatura que satisface que qq −)1( =0. Esta temperatura corresponde a ocT , =19,69 C. Que al repeti r los cálculos se obtiene finalmente: ohT , =19 C y q= 202811 W. Método de efectividad- NTU En el ejemplo anterior se constato que cuando las temperaturas de sal ida son desconocidas, el análisis F-LMTD requiere un proceso de ensayo y error. En tales circunstancias es recomendable uti l izar el análisis denominado: Método de efectividad – NTU Efectividad: La efectividad de un intercambiador se define, mediante la siguiente ecuación: máxq q=ε donde q, se refiere al calor intercambiado por los fluidos frío y cal iente y máxq , se refiere al máximo calor que se puede transferi r en el intercambiador. 21 x ihT , ocT , Fluido caliente Fluido frío máxT∆ icT , El máxq se refiere al calor que se transfiere en un intercambiador de doble tubo operando en contracorriente, que posee un área de intercambio infini ta. Para esta circunstancia se cumple que la máxima diferencia de temperatura que puede adquiri r uno de los f luidos, máxT∆ , dependerá de sus capacidades caloríficas. )()( ,,,, icoccohihh TTCTTCq −=−= cchh TCTCq ∆=∆= De la ecuación anterior se desprende que el f luido que adquiere máxT∆ , será aquel que tenga la menor capacidad caloríf ica. Si hC > cC se tendrá que ihoc TT ,, → y máxmáx TCq c∆= Sí cC > hC se tendrá que icoh TT ,, → y máxmáx TCq h∆= De manera que en forma compacta se satisface que: máxmínmáx TCq ∆= Por definición la efectividad, la cual es adimensional debe estar en el rango 0< ε <1 Para cualquier intercambiador de calor se puede demostrar que la efectividad puede expresarse mediante: = máx mín, C C NTUfε donde máx mín C C es la relación de las capacidades caloríf icas de los fluidos y NTU es un parámetro adimensional denominado Número de Unidades de Transferencia ( Number of Transfer Units) y que es ampl iamente usado en el anál isis de intercambiadores y se determina mediante: mín C AU NTU = A continuación se presentan expresiones para diversas configuraciones de intercambiadores de calor, donde, máx mín C C Cr = Doble Tubo Flujo Paralelo: r r C CNTU + +−−= 1 ))1(exp(1ε Contracorriente: ))1(exp(1 ))1(exp(1 rr r CNTUC CNTU −−− −−−=ε Carcaza y Tubo Un paso de carcaza y (2,4...pasos de tubo) 1 2 1/2 2 1/2 1 2 1/2 1 exp[ (1 ) ] 2 1 (1 ) 1 exp[ (1 ) ] r r r r NTU C C C NTU C ε − + − += + + + − − + n pasos de carcaza (2n,4n, pasos de tubo) 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 − − − − − − −= r n r n r C CC ε ε ε εε Flujo Cruzado Ambos f luidos Sin mezclar { }1)(exp( )( 1 exp1 78.022.0 −− −= NTUCNTU C r r ε mázC ( mezclado) { }]))exp(1( exp1[ 1 NTUC C r r −−−− =ε mínC ( sin mezclar) mázC (sin mezclar) { })))(exp(1( exp1 1 NTUCC rr −−−−= −ε mínC (mezclado) Todo intercambiador ( 0=rC ) )exp(1 NTU−−=ε Las expresiones anteriores se muestran en forma gráfica en las Figuras 4.11-4.16 En el diseño de intercambiadores de calor, en ocasiones es más conveniente trabajar con relaciones de la forma: = máx mín, C C fNTU ε Expresiones expl íci tas para el NTU como función de la efectividad y rC son presentadas a continuación. Flujo Paralelo )1( )]1(1ln[ r r C C NTU + +−−= ε Contracorriente − − − −= 1 1 ln 1 1 rr CC NTU ε ε Carcaza y Tubo Un paso de carcaza ( 2,4... pasos de tubo) 2 1/2 1 (1 ) ln 1r E NTU C E − − = − + + 1 2 1/2 2 / (1 ) (1 ) r r C E C ε − += + Use las dos ecuaciones anteriores con: n pasos de Carcaza (2n,4n,...pasos de tubo) rCF F − −= 1 1ε , n rC F /1 1 1 − −= ε ε Flujo Cruzado mázC ( mezclado) − +−= ) 1ln( 1 1ln r r C C NTU ε mínC ( sin mezclar mázC (sin mezclar) ]1)1ln(ln[ 1 +− −= εr r C C NTU mínC (mezclado) Todos los intercambiadores )0( =rC )1ln( ε−−=NTU Ejemplo 4.3 Resolver nuevamente el e jemplo 4.2 empleando el método de efectividad – NTU Solución: 4948máx == hCC 2364,0 20930 4948 máx mín == C C 425,2 4948 15800 mín =⋅== C AU NTU Con 2364,0=rC y 4252,2=NTU 82,0=ε ( Figura 4.13) WTTCq icih 202000)( ,,mín =−= ε C C q TT h ihoh 2,19,, =−= C C q TT c icoc 6,19,, =+= Comentario: Con este e jemplo se i lustra la ventaja que tiene el uti l izar el método de efectividad – NTU en comparación con el método F-LMTD.
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