Que y cuales son los Intercambiadores de calor

Resumen.

En la industria es común el empleo de intercambiadores de calor en los procesos químicos. Por lo tanto, el Ingeniero Químico debe conocer bien estos dispositivos en todas sus presentaciones. Los intercambiadores de tubos y coraza, de placas y de tubos concéntricos son especialmente interesantes por ser de uso más común. En este trabajo se estudia cada uno de ellos con la intención de comprender su funcionamiento, diseño, aplicación, ventajas y desventajas, y contrastar, en términos generales, los procesos en que se apliquen unos u otros. Finalmente, de este estudio se concluye que a pesar de que el intercambiador de placas es el más efectivo debido a la gran cantidad de transferencia de calor en volúmenes reducidos, su alto costo de fabricación sugiere el empleo de otro tipo de intercambiadores.

----Palabras clave: Intercambiador de calor, placas, tubos y coraza, tubos concéntricos, transferencia de calor.

Abstract.

In industry it is common the use of heat exchangers in chemical processes. Therefore, the Chemical Engineer must be familiarized with these devices in all its presentations. The shell and tube, plates and concentric tubes heat exchangers are especially interesting for being more commonly used. In this paper each of them are studied with the intention to understand its operation, design, implementation, advantages and disadvantages, and to contrast in general terms, the processes that apply one or the other. Finally, in this study it is concluded that although the plate heat exchanger is the most effective because of the large amount of heat transfer in low volumes, its high cost of production suggests the use of other types of heat exchangers.

---- Keywords: Heat exchanger, plates, shell and tube, concentric tubes, heat transfer.

Introducción.

Los altos costos de energía observados durante la década de los setenta motivaron el desarrollo de procesos con un uso eficiente de energía. En un proceso químico generalmente se tienen varias corrientes que requieren de calentamiento y otras que necesitan enfriamiento. Una práctica común es satisfacer estos requisitos mediante el uso de servicios (vapor y agua de enfriamiento).

El ahorro de servicios ofrece un potencial interesante para mejorar la economía de un proceso. Avances recientes han desembocado en técnicas para la síntesis de sistemas que aprovechan las características de las corrientes involucradas en el proceso, de tal manera que las corrientes calientes y las corrientes frías intercambien calor para ahorrar en el consumo de energético. Por ende, el objetivo de este artículo en dar a conocer tanto la importancia como el funcionamiento de los intercambiadores de calor, enfocándose principalmente en tres de ellos: intercambiadores de calor de tubos y coraza, intercambiador de tubos concéntricos e intercambiadores de placas [1].

Los intercambiadores de calor son aparatos que facilitan el intercambio de calor entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes, evitando al mismo tiempo que se mezclen entre sí. En la práctica los intercambiadores de calor son de uso común en una amplia gama de aplicaciones, desde los sistemas de calefacción y acondicionamiento del aire hasta los procesos químicos en la producción de energía en mega plantas. Sus diseños han experimentado un gran desarrollo, existiendo en la actualidad normas que especifican con detalle los materiales, métodos de construcción, técnicas y dimensiones de diseño.

Los intercambiadores se clasifican básicamente en tres grupos.

• Intercambiadores tubulares.
• Intercambiadores de placas.
• Baterías de aire.

A la vez estos grupos se pueden subdividir en categorías que incluyan diferentes diseños según los servicios requeridos.

En este documento se encontraran algunas de las generalidades de los intercambiadores de calor y se describirán los más comunes en la industria.

Marco teórico.

Intercambiadores de calor: generalidades.

Son aparatos cuyo objetivo es llevar una corriente de fluido a una temperatura determinada, calentándola o refrigerándola mediante otra corriente de fluido calentador o refrigerante. Los fluidos circulan separados por una superficie, metálica o no, a través de la cual intercambian el calor. Se emplean mucho en las industrias químicas y petroquímicas para situar las distintas corrientes de fluido a su nivel térmico adecuado y también para conseguir el máximo ahorro de energía posible [2].  

Todos los intercambiadores de calor cuentan con unos aspectos generales muy importantes como:

• Los pasos: Ocurren cada vez que el fluido atraviesa el equipo de un lado a otro. El arreglo de los pasos en el lado de los tubos y la carcaza tiene mucha importancia a la hora del cálculo de la verdadera diferencia de temperaturas entre los dos fluidos. Además permite cambiar la velocidad del fluido al variar su número. Aunque si bien no existen normas al respecto, un sistema base típico de designación para los pasos de un intercambiador es el m/n, donde m y n indican el número de pasos para la carcaza y los tubos respectivamente. Además Los pasos sirven para mejorar el rendimiento en el intercambiador, teniendo en cuenta que un factor influyente es la velocidad del fluido por el paso (esta influye en el tiempo de residencia y por tanto en la transferencia de calor). Es decir, cuando el fluido fluye a velocidad baja el tiempo de residencia es mayor, permitiendo mayor transferencia de calor generando estancamientos en los pasos; caso contrario ocurre cuando el fluido fluye a alta velocidad, donde la turbulencia es mayor pero el tiempo de residencia es menor y por ende, la transferencia de calor hacia el fluido también es menor [3].
• La LMTD: Es la media logarítmica de la diferencia de temperatura. Se hizo con el fin de desarrollar una relación para la diferencia de temperatura promedio equivalente entre los dos fluidos (caliente y frío) ya que varían a lo largo del intercambiador de calor.

Para la simplificación de los cálculos de un intercambiador de calor se tuvieron en cuenta las siguientes suposiciones (que no generan error importante):

(1) El coeficiente global de transferencia de calor U es constante.

(2) Los calores específicos de los fluidos son constantes.

(3) El intercambio de calor con el ambiente es despreciable.

(4) El flujo es estacionario.

Las suposiciones (2) y (4) implican que las variaciones de las temperaturas del fluido caliente y frio varían linealmente con el calor transferido, así como lo hará  frente a . Al hacerse:[pic 1][pic 2]

[pic 3]

Donde  es el calor transferido. Sabiendo que , reemplazo en la ecuación anterior.[pic 4][pic 5]

Integrando y despejando  tenemos:[pic 6]

[pic 7]

De donde se define LMTD como:

[pic 8]

Donde  y  representan la diferencia entre los dos fluidos en ambos extremos (entrada y salida) del intercambiador. Teniendo en cuenta que no existe diferencia con respecto a cuál de los extremos del intercambiador se designe como la entrada o la salida, es un valor característico de las dos temperaturas para las suposiciones hechas anteriormente y se utiliza precisamente para dichas suposiciones [4].[pic 9][pic 10]

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