Intercambiadores De Calor

intercambiadores de calor

Cuando el diseñador de intercambiadores de calor de tubo y carcasa requiere estimar el
coeficiente de transferencia de calor y la caída de presión (5,8,13) bien por dentro de los
tubos o por la carcasa se encuentra que casi todas las variables de diseño que están en
los cálculos se relacionan solamente con la determinación de la cantidad invariante
indicada.
Lascondiciones especificadas en esos cálculos normalmente dan bajas caídas de
presiones a través del intercambiador. Sin embargo, podrían especificarse condiciones
alternativas que darían caídas de presiones superiores y menos área de transferencia de
calor Mediante la selección de varias condiciones, el diseñador podría, en última
instancia, a través de un procedimiento tradicional energético deoptimización (12),
arribar a un diseño final que minimizaría la suma de las variables de costos anual y los
costos de operación anual del intercambiador. Este procedimiento, en ocasiones, resulta
largo y complejo y, normalmente, requiere del uso de programas de computación
comerciales de difícil adquisición. Por otra parte, el método estructural basado en los
conceptos exergéticos (1,3,4)depende del uso de los coeficientes estructurales y de
otros conceptos relacionados para la evaluación de los costos unitarios locales de las
irreversibilidades (2,10). Este método presenta relativamente poca complejidad y,
contando con todos los datos necesarios, puede efectuarse con una calculadora de
bolsillo. En este trabajo, se indaga el método estructural y se compara con el métodotradicional energético.
Desarrollo
En el procedimiento del diseño tradicional de muchos intercambiadores de calor se
parte, entre otras, de las siguientes condiciones iniciales:
• Flujo másico del fluido de proceso.
• Cambio de temperatura permitido del fluido de proceso.
• Temperatura de entrada del fluido de servicio (para enfriamiento o
calentamiento).
Con esta información, el ingeniero debepreparar un diseño para el intercambiador
óptimo que alcanzaría las condiciones requeridas por el proceso. Ordinariamente, deben
determinarse los siguientes resultados:
• Área de transferencia de calor.
• Temperatura de salida y flujo másico del fluido de servicio.
• Número, longitud, diámetro y disposición de los tubos.
• Caídas de presión para los fluidos caliente y frío.
Las variables deimportancia de los costos anuales son los cargos fijos sobre el equipo,
el costo del fluido de servicio y el costo de la potencia para el bombeo de ambos fluidos
a través del intercambiador. El costo total anual para la optimización, por tanto, puede
ser representado por:
CT = Ao.KF.CAo + mu.Hy.Cu + Ao.Ei.Hy.Ci + Ao.Eo.Hy.Co (1)
Un diseño óptimo podría desarrollarse usando la ecuaciónanterior con un laborioso
procedimiento de tanteo y error, tomando todas las posibles variaciones en
consideración. Este procedimiento tan consumidor de tiempo puede reducirse algo
formulando las siguientes consideraciones del diseño y usando el método de las
derivadas parciales de Peters y Timmerhaus (12):
• Especificar, al comienzo del diseño, el diámetro del tubo, el espesor de la pared
y elespaciamiento de los tubos ya que bajo circunstancias ordinarias, el efecto
del diámetro del tubo sobre el costo total en las condiciones de operación
óptimas no es grande.
• Usualmente, puede también especificarse el número de pases por los tubos.
• Si hay cambio de fases en uno de los fluidos, por ejemplo si se usa vapor, la
solución de la ecuación anterior para condiciones óptimas a menudopuede ser
simplificada. Cuando no hay cambio de fases, la solución puede tornarse
compleja debido a que las velocidades y los costos de potencia resultantes y los
coeficientes de transferencia de calor pueden variar bastante independientes en
un amplio rango de valores.
El único medio satisfactorio de llegar a una optimización de un intercambiador de tubo
y carcasa bajo tales condiciones...