Intercambiadores de calor

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DESARROLLO

Intercambiador de Calor

Principio de Funcionamiento: Un intercambiador de calor se puede describir de un modo muy elemental como un equipo en el que dos corrientes a distintas temperaturas fluyen sin mezclarse con el objeto de enfriar una de ellas o calentar la otra o ambas cosas a la vez.

Un esquema de intercambiador de calor sumamente primitivo puede ser el siguiente:

t1y t2= temperaturas de entrada y salida del flujo frio.
T1 y T2= temperaturas de entrada y salida del flujo cálido.

Disposiciones de las Corrientes: En el esquema anterior tenemos una situación que se ha dado en llamar “contracorriente” o “corrientes opuestas”. En cambio si ambas corrientes tienen el mismo sentido se trata de “corrientes paralelas” o “equicorrientes”

También sepresenta una situación en la que ambas corrientes se cruzan en un ángulo recto. En ese caso se habla de corrientes “cruzadas”. Esta disposición se da con mayor frecuencia en el intercambio de calor de gases con líquidos, como vemos a continuación:

Diferencia media logarítmica de Temperatura: Analicemos la diferencia operativa de temperatura en un intercambiador en el que hay una disposición encontracorriente pura.

Cuando se grafica la temperatura en función de la longitud del intercambiador se pueden dar dos situaciones típicas. En la primera ambas temperaturas (t) (la temperatura del fluido cálido) varían simultáneamente; t lo hace creciendo desde t1 hasta t2 y T disminuyendo desee T1 hasta T2. Esta situación es la que describe el intercambio de calor sin cambio de fase de ningunade las dos corrientes. La figura de la izquierda ilustra este caso, en tanto la de la derecha observamos la figura que representa la disposición de las corrientes paralelas.

En la otra situación que se puede dar en contracorriente uno de los fluidos experimenta un cambio de fase y su temperatura permanece constante durante todo el proceso o en una porción del mismo. La siguiente figurailustra el caso de vapor de agua que se condensa intercambiando calor con agua que se calienta desde la temperatura (ta1) hasta (ta2) en tanto que la temperatura del vapor permanece contante.

En cualquiera de los dos casos, la variación de una o ambas temperaturas puede ser lineal, pero lo habitual es que no lo sea. En cualquier segmento de longitud “dx” del intercambiador situado a unadistancia “x” del origen se verifica que (despreciando pérdidas y suponiendo que el coeficiente global de intercambio de calor “U” sea constante) la cantidad de calor intercambiada es:

[pic]

Donde “a” es la superficie por unidad de longitud, es decir que: adx=dA, además: [pic]

W y w son los caudales másicos del fluido cálido y frio respectivamente, y C y c son sus respectivoscalores específicos.

Realizando una integración de la segunda ecuación desde x=0 hasta x=L, tenemos que:

[pic]

Sustituyendo T en [pic], tenemos:

[pic]

Reordenando la anterior igualdad de modo que todos los términos que contienen “t” queden de un lado y los que contienen “L” queden del otro tenemos:

[pic]

Integrando:

[pic]

Simplificando la ecuación, tenemos:[pic]

Operando un poco finalmente se deduce que:

[pic]

Donde: [pic] [pic]

[pic] [pic]

Contracorriente Equicorriente

El termino entre parentesis se suele llamar diferencia media logaritmica de temperatura y se abrevia MLDT. Esta expresion es la misma para flujo paralelo y en contracorriente. Mostraremos queel maseficaz es el que representa mayor diferencia de temperatura MLDT para las mismas condiciones.

Clases de Intercambiadores: El intercambiador de calor es uno de los equipos industriales mas frecuentes. Practicamente no existe industria en la que no se encuentre un intercabiador de calor, debido a que la operación de enfriamiento o calentamiento es inherente a todo preoceso que maneje...
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