Regímenes de flujo en el intercambio térmico

Regímenes de flujo en el intercambio térmico

Uno de los factores más importantes que rigen la transferencia térmica es la resistencia al flujo térmico a través de las diferentes 'capas' que forman la barrera entre los dos fluidos.

La fuerza motríz del intercambio térmico es la diferencia entre los niveles de temperatura de los fluidos frio y caliente, cuanto mayor la diferencia de temperatura, mayor será el ratio al que el calor fluirá entre ellos y el diseñador debe optimizar los niveles de temperatura en cada tramo del intercambiador para maximizar el ratio total de transferencia de calor.

La resistencia a la transferencia de calor se forma por 5 'capas', a saber:

1. La 'capa límite' interna, formada por el fluido moviéndose en contacto cercano con la superficie interna del tubo.

2. La capa de ensuciamiento formada por el depósito de sólidos o semi sólidos en la superficie interna del tubo (esta capa puede estar presente o no).

3. El grosor de la pared del tubo y el material usado governarán la resistencia al flujo de calor a través del tubo en sí mismo.

4. La capa de ensuciamiento formada por el depósito de sólidos o semi sólidos en la cara externa del tubo (esta capa puede estar presente o no).

5. La 'capa límite' externa, formada por el otro fluido en contacto cercano con la cara externa del tubo.

Los valores que se deben usar para [2] y [4] normalmente son definidos por el cliente, como resultado de la experiencia, mientras que el diseñador debe selecionar el diámetro, grosor y material del tubo para que se ajusten a la aplicación.

La resistencia al flujo de calor resultantes de [1] y [5] (llamados coeficientes de transferencia térmica parciales), depende en gran medida de la naturaleza de los fluidos, pero también de un modo crucial, de la geometría del las superficies en las que se produce el intercambio térmico. Los valores finales son dependientes en gran medida de qué ocurre al nivel de las 'capas límite', pues es la parte del fluido que realmente está en contacto con la superficie de intercambio térmico.

Las capas límite

Cuando un producto viscoso fluye en contacto con un tubo a una baja velocidad lo hace de modo que no se produce ningún tipo de mezclado del fluido, la capa límite, la parte del fluido en contacto con el tubo, verá disminuida su velocidad ligeramente por una resistencia viscosa y el calor fluirá hacia (o desde) la pared del tubo mediante conducción y/o convección.

Conforme la velocidad del fluido se vea incrementada, se alcanzará un punto en el que el fluido empezará a formar turbulencias, punto en el que la capa límite se rompe y se separa de la pared del tubo, y el fluido se mezcla con la parte más interna del mismo, más alejada de la pared del tubo.

La velocidad a la que esto ocurre se ve influida por muchos factores, la viscosidad del fluido, la rugosidad de la pared del tubo, la forma del tubo, el tamaño del tubo, etc.

Para poder cuantificar la turbulencia (o falta de ésta) de un modo práctico, los ingenieros que diseñan de intercambiadores de calor usan un número adimensional llamado número de Reynolds, que se calcula como sigue:

Re = D.G/µ

Dónde:

 D = diámetro hidráulico del tubo (m)

 G = velocidad de la masa (kg/m².s)

 µ = viscosidad del fluido (kg/m.s)

Mediante la experiencia se ha determinado que

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