elemento

Coeficiente global
Por lo común un intercambiador de calor está relacionado con dos fluidos que fluyen separados por una pared sólida. En primer lugar, el calor se transfiere del fluido caliente hacia la pared por convección, después a través de la pared por conducción y, por último, de la pared hacia el fluido frío de nuevo por convección. Cualesquiera efectos de la radiación suelen incluirseen los coeficientes de transferencia de calor por convección.
La red de resistencias térmicas asociada con este proceso de transferencia de calor comprende dos resistencias por convección y una por conducción, como se muestra en la figura 11-7. En este caso, los subíndices i y o representan las superficies interior y exterior del tubo interior. Para un intercambiador de calor de tubo doble, laresistencia térmica de la pared del tubo es
ec.1
en donde k es la conductividad térmica del material de la pared y L es la longitud del tubo. Entonces la resistencia térmica total queda
ec.2
Ai es el área de la superficie interior de la pared que separa los dos fluidos y Ao es el área de la superficie exterior de esa misma pared. En otras palabras, Ai y Ao son las áreas superficiales de lapared de separación mojada por los fluidos interior y exterior, respectivamente.
En el análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente combinar todas las resistencias térmicas que se encuentran en la trayectoria del flujo de calor del fluido caliente hacia el frío en una sola resistencia R y expresar la razón de la transferencia de calor entre los dos fluidos como:
ec.3
en dondeU es el coeficiente de transferencia de calor total, cuya unidad es W/m2 · °C, la cual es idéntica a la unidad del coeficiente de convección común, h. Cancelando T, la ecuación 3 se convierte en
ec.4
Quizá el lector se está preguntando por qué se tienen dos coeficientes de transferencia de calor totales, Ui y Uo, para un intercambiador de calor. La razón es que todo intercambiador de calortiene dos áreas superficiales para la transferencia de calor, Ai y Ao, las cuales, en general, no son iguales entre sí.
Nótese que UiAi= UoAo, pero Ui ≠ Uo a menos que Ai =Ao. Por lo tanto, el coeficiente de transferencia de calor total U de un intercambiador de calor no tiene significado a menos que se especifique el área sobre la cual se basa. En especial, este es el caso cuando uno de los ladosde la pared del tubo tiene aletas y la otra no, ya que el área superficial del lado con aletas es varias veces mayor que la que no las tiene.
Cuando la pared del tubo es pequeña y la conductividad térmica del material del mismo es alta, como suele ser el caso, la resistencia térmica de dicho tubo es despreciable (Rpared∞ 0) y las superficies interior y exterior del mismo son casi idénticas (Ai∞ Ao∞As). Entonces la ecuación 4 para el coeficiente de transferencia de calor total se simplifica para quedar.
ec.5
donde U ∞ Ui ∞ Uo. Los coeficientes de transferencia de calor por separado, de adentro y de afuera del tubo, hi y ho, se determinan aplicando las relaciones de la convección discutidas en los primeros capítulos.
El coeficiente de transferencia de calor total U de la ecuación 5 esdominado por el coeficiente de convección más pequeño, puesto que el inverso de un número grande es pequeño. Cuando uno de los coeficientes de convección es mucho más pequeño que el otro (digamos, hi< ho), se tiene 1/hi >1/ho y, por consiguiente, U ∞ hi. Por lo tanto, el coeficiente de transferencia de calor más pequeño crea un cuello de botella sobre la trayectoria de la transferencia de calor eimpide gravemente la transferencia de este último. Esta situación se presenta con frecuencia cuando uno de los fluidos es un gas y el otro es un líquido. En esos casos, es práctica común el uso de aletas del lado del gas para mejorar el producto UAs y, en consecuencia, la transferencia de calor en ese lado.
En la tabla 1 se dan valores representativos del coeficiente de transferencia de calor...