INTERCAMBIADORES DE CALOR Y MASA

OBJETIVO

Investigar qué son y cuáles son los intercambiadores de calor.

INTRODUCCIÓN

Un dispositivo cuyo principal propósito es la transferencia de energía entre dos fluidos se llama intercambiador de calor. Los intercambiadores de calor generalmente se clasifican en tres categorías:

regeneradores;

intercambiadores de tipo abierto;

intercambiadores de tipo cerrado o recuperadores.

Los generadores son intercambiadores de calor en los que los fluidos calientes y fríos fluyen de manera alternada a través del mismo espacio, existiendo entre las dos corrientes la mínima cantidad de mezclado posible. La cantidad de transferencia de energía depende de las propiedades del fluido y del flujo de la corriente del fluido, así como de la geometría y de las propiedades térmicas de la superficie.

Los intercambiadores de calor de tipo abierto son dispositivos en los que se produce el mezclado físico de las dos corrientes del fluido. Los fluidos calientes y fríos entran a los intercambiadores de calor de tipo abierto y salen como una sola corriente. La naturaleza de la corriente de salida se predice por el principio de continuidad y la primera ley de la termodinámica.

El tercer tipo de intercambiador de calor, el recuperador, es el de principal importancia. En el recuperador, las corrientes del fluido caliente y frío no entran en contacto directo, sino que están separadas por la pared de un tubo o por una superficie que puede ser plana o con cierta curvatura. En el intercambio de energía se hace entonces por convección desde un fluido hasta una superficie, por conducción a través de la placa o pared y finalmente por convección desde la superficie hasta el segundo fluido. A demás de ser considerado un intercambiador de tipo cerrado, un recuperador se clasifica de acuerdo con su configuración y el número de pasos que cada corriente de fluido realiza al recorrer el intercambiador de calor.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Los intercambiadores de calor normalmente se clasifican de acuerdo con el arreglo del flujo y el tipo de construcción.

Intercambiador de calor en un solo paso

El intercambiador más simple es el intercambiador de doble tubo o de tubos concéntricos, donde uno de los fluidos fluye en el interior de una tubería y el otro lo hace en el espacio anular entre ambas tuberías. El intercambiador puede fabricarse con un simple par de tubos adaptando las conexiones en los extremos, o con varios pares interconectados en serie. Este tipo de intercambiador es útil principalmente para velocidades de flujo bajas.

Un intercambiador de calor de un solo paso es aquel en el que el fluido fluye una sola vez a través del intercambiador. Un término descriptivo adicional identifica las direcciones relativas de las dos corrientes; los términos que se utilizan son flujo paralelo o concurrente si los fluidos fluyen en la misma dirección, flujo a contracorriente o contraflujo si los fluidos fluyen en direcciones opuestas, y flujo transversal o cruzado si los dos fluidos fluyen en ángulos rectos uno del otro.

Figura 1. Intercambiador de calor de un solo paso y de doble tubo. Tomada de Procesos de transporte y operaciones unitarias. Cristine J. Geankoplis. 3ed.1998. pág. 301.

Cuando se consideran los intercambiadores de calor de un solo paso en flujo paralelo o a contracorriente, es útil trazar un bosquejo simple que represente la variación general de temperaturas que cada corriente del fluido experimenta. Existen cuatro de tales perfiles en esta categoría. Cada uno de ellos puede encontrarse en una disposición de doble tubo.

En las partes c) y d),uno de los dos fluidos permanece a temperatura constante mientras intercambia calor con el otro fluido cuya temperatura está cambiando. Dicha situación se da cuando ocurre cuando la transferencia de energía se produce por un cambio de fase más que de temperatura, como en los casos de evaporación y condensación. Si ocurre una situación donde el cambio completo de fase ocurre dentro del intercambiador, junto con algo de sobreenfriamiento, entonces la dirección del flujo de la corriente de condensado sí es importante.

En las partes a) y b) es evidente que las temperaturas de salida de los fluidos caliente y frío en el caso del flujo paralelo se aproximan al mismo valor. En la disposición a contraflujo es posible que el fluido caliente salga del intercambiador a una temperatura inferior a la que sale el fluido frío.

La abscisa de esta figura corresponde al área. Para un intercambiador de doble tubo, el área de transferencia de calor varía linealmente con la distancia desde un extremo del intercambiador.

Haciendo referencia a un incremento general de área, ∆A, entre los extremos de esta unidad, un análisis termodinámico de las dos corrientes de fluido, aplicando la primera ley, dará como resultado

∆q=〖(m ̇c_p)〗_c ∆T_c

y

∆q=〖(m ̇c_p)〗_H ∆T_H

A medida que el incremento de área se aproxima a un tamaño diferencial, puede escribirse

dq=〖(m ̇c_p)〗_c dT_c=C_c dT_c…1

y

dq=〖(m ̇c_p)〗_H dT_H=C_H dT_H…2

donde se introduce el coeficiente de capacidad C en lugar del producto m ̇c_p.

Escribimos la ecuación para la transferencia de energía entre los dos fluidos en este punto

dq=UdA(T_H-T_(c )) …3

que utiliza el coeficiente total de transferencia de calor U. Si se designa T_H-T_(c ) como ∆T, se tiene

d(∆T)=〖dT〗_H-〖dT〗_(c )…4

y sustituyendo 〖dT〗_H y 〖dT〗_(c ) en las ecuaciones 1 y 2 se obtiene

d(∆T)=dq(1/C_H -1/C_c )=dq/C_H (1-C_H/C_c )…5

También debe notarse que dq es el mismo en cada una de estas expresiones, por lo que las ecuaciones 1 y 2 pueden igualarse e integrarse desde uno de los extremos del intercambiador hasta el otro, obteniéndose, para la relación C_H/C_c,

C_H/C_c =(T_c2-T_c1)/(T_H2-T_H1 )…6

que puede sustituirse en la anterior

d(∆T)=dq/C_H ((〖∆T〗_2-〖∆T〗_1)/(T_H2-T_H1 ))…7

El resultado de la ecuación que presenta un valor constante de U se representa como

q=UA (∆T_2-∆T_1)/(ln (∆T_2)/(∆T_1 )) …8

Se observa que la fuerza impulsora es un tipo de diferencia de temperaturas promedio entre las dos corrientes, la relación (∆T_2-∆T_1)/(ln (∆T_2)/(∆T_1 )) se representa como ∆T_(ml,) la media logarítmica de la diferencia de temperaturas y la expresión para q se escribe simplemente como

q=∆A∆T_ml…9

Esta ecuación se basa en un valor constante del coeficiente total de transferencia

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