Diseño de un intercambiador de calor y comportamiento de perfiles de temperatura

Introducción:
En la Ingeniería Química, y en especial en la ramas de Operaciones Unitarias (transferencia de calor, de masa, de momento) y de Procesos, es de vital importancia conocer, entender y aplicar el diseño óptimo de equipos así como su funcionamiento. Al diseñar un intercambiador de calor resulta muy útil el empleo de herramientas tales como programas de cálculo y dimensionamiento; ennuestro caso nos valimos de un programa como Matlab el cual nos facilita y disminuye el número de cálculos y nos brinda un soporte que garantiza el correcto comportamiento de los perfiles de temperatura generados a partir del uso de diagramas en 3D.
Teoría:
Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que seencuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.
Un intercambiador típico es el radiador del motor de un automóvil, en el que el fluido refrigerante, calentado por la acción del motor, se refrigera por la corriente de aire que fluye sobre él y, a su vez, reduce la temperatura del motorvolviendo a circular en el interior del mismo.
El desarrollo de los intercambiadores es variado y de una amplia gama de tamaños y tecnología como plantas de potencia de vapor, plantas de procesamiento químico, calefacción y acondicionamiento de aire de edificios, refrigeradores domésticos, radiadores de automóviles, radiadores de vehículos especiales, etc.
En los tipos comunes, tales comointercambiadores de coraza y tubos y los radiadores de automóvil, la transferencia de calor se realiza fundamentalmente por conducción y convección desde un fluido caliente a otro frío que está separado por una pared metálica.
En ciertos tipos de intercambiadores de calor, como las torres de enfriamiento, el flujo caliente (es decir, el agua) se enfría mezclándola directamente con el fluido frío (es decir,el aire) o sea que el agua se enfría por convección y vaporización al pulverizarla o dejarla caer en una corriente (o tiro) inducida de aire.
En los radiadores de las aplicaciones especiales, el calor sobrante, transportado por el líquido refrigerante, es transmitido por convección y conducción a la superficie de las aletas y de allí por radiación térmica al vacío.
En consecuencia el diseñotérmico de los intercambiadores es un área en donde tienen numerosas aplicaciones los principios de transferencia de calor.
El diseño real de un intercambiador de calor es un problema mucho más complicado que el análisis de la transferencia de calor porque en la selección del diseño final juegan un papel muy importante los costos, el peso, el tamaño y las condiciones económicas.
Así por ejemplo,aunque las consideraciones de costos son muy importantes en instalaciones grandes, tales como plantas de fuerza y plantas de proceso químico las consideraciones de peso y de tamaño constituyen el factor predominante en la selección del diseño en el caso de aplicaciones especiales. Por lo tanto en este trabajo es importante hacer un tratamiento completo del diseño de intercambiadores de calor.Intercambiadores de calor de coraza y tubos:
Las unidades conocidas con este nombre están compuestas en esencia por tubos de sección circular montados dentro de una coraza cilíndrica con sus ejes paralelos al aire de la coraza.
Los intercambiadores de calor líquido-líquido pertenecen en general a este grupo y también en algunos casos los intercambiadores gas-gas.
Son muy adecuados en lasaplicaciones en las cuales la relación entre los coeficientes de transferencia de calor de las dos superficies o lados opuestos es generalmente del orden de 3 a 4 y los valores absolutos son en general menores que los correspondientes a los intercambiadores de calor líquido-líquido en un factor de 10 a 100, por lo tanto se requiere un volumen mucho mayor para transferir la misma cantidad de calor....