Diseño De Equipo Termico

UNIDAD III

ANÁLISIS Y DISEÑO DE EQUIPOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

Introducción

El ingeniero Mecánico, dentro de su desempeño profesional, podrá tener la necesidad de diseñar y analizar sistemas que requieran intercambio de energía térmica entre un fluido y otro. Para ello empleará dispositivos llamados intercambiadores de calor.

Para poder diseñar este tipo de sistemas es necesarioque el ingeniero conozca, primeramente, los tipos de intercambiadores que existen y sus características. Asimismo, requerirá de algunas metodologías que le permitan analizar si el equipo seleccionado es adecuado para sus requerimientos térmicos.

Este proceso no es trivial, se requiere un amplio bagaje de conocimientos sobre transferencia de calor que el estudiante ha adquirido durante sus cursosanteriores. Así pues, el material que aquí se presenta corresponde a la 3ª unidad del curso de Diseño de Equipo Térmico, del 8º semestre de la carrera de ingeniería Mecánica. El objetivo de este curso es que el estudiante aplique sus conocimientos de Termodinámica, Mecánica de fluidos y Transferencia de calor para el diseño de diversos equipos térmicos –particularmente en esta unidad el diseño deintercambiadores de calor–.

La presente unidad está dividida en 4 apartados, el primero de ellos está dedicado a mostrar las características y clasificación de los principales intercambiadores de calor. El segundo, muestra los métodos para el análisis de intercambiadores de calor, incluyendo el método de NTU y el de la diferencia de temperaturas media logarítmica.

Por su parte, el tercerapartado muestra un análisis más completo de este tipo de equipos térmicos, considerando el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor (U) a partir de las propiedades de los fluidos. Finalmente, el último apartado considera toda la información vertida en los anteriores para ser aplicada en el diseño de los intercambiadores de calor.

3.1. Clasificación y descripción de losintercambiadores de calor

3.1.1. Descripción de un dispositivo intercambiador de calor.

Un intercambiador de calor es un dispositivo empleado para transferir energía térmica entre dos o más fluidos, entre una superficie sólida y un fluido o entre partículas sólidas y un fluido, a diferentes temperaturas. Estos dispositivos pueden tener diferentes aplicaciones entre las que se encuentran: evaporadores,condensadores, enfriadores, recuperadores de calor, radiadores de automóvil, etc. En la mayoría de estos dispositivos la transferencia de calor entre los fluidos se lleva a cabo a través de una superficie de intercambio y estos fluidos no se mezclan, sin embargo, existen algunos intercambiadores en los cuales la trasferencia de calor se lleva a cabo mediante la mezcla de dichos fluidos.

Lasuperficie de intercambio es la superficie del intercambiador de calor que está en contacto directo con los fluidos y a través de la cual se lleva a cabo la transferencia de calor. Entre mayor sea esta superficie de intercambio, mejor será la transferencia de calor, por ello, usualmente se utilizan “aletas” para incrementar esta superficie y reducir la resistencia a la transferencia de calor.3.1.2. Clasificación de los intercambiadores de calor.

A manera de resumen, en la tabla 3.1 se muestran algunas clasificaciones de los intercambiadores de calor y en los siguientes subapartados se explican las características de los tipos de intercambiadores.

3.1.2.1. De acuerdo al proceso de transferencia de calor

a) Intercambiadores de contacto indirecto. (Tabla 3.1 sección 1)

Eneste tipo de intercambiadores las corrientes de flujo se mantienen separadas por una pared que forma la superficie de intercambio. El más común de estos es el de transferencia directa de calor en el cual la energía térmica se transfiere continuamente entre el fluido caliente y el fluido frío, un ejemplo de éste son los recuperadores de calor. Otro tipo de intercambiador que pertenece a esta...