Energias renovables

XVIII.- INTERCAMBIADORES DE CALOR
MÉTODO DE LA EFICIENCIA

XVIII.1.- EFICACIA DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR
En muchas situaciones lo único que se conoce es la descripción física del intercambiador, como
el número y tamaño de los tubos, número de pasos de tubos, número de pasos por la carcasa, etc, y
las temperaturas de entrada de los fluidos TC1 y T F1. Se puede obtener una ecuación dela transferencia de calor en la que no intervenga ninguna de las temperaturas de salida de los fluidos,
haciendo uso del concepto de eficacia ε del intercambiador que se define en la forma:
ε = Velocidad real de transferencia de calor en un intercambiador determinado
Velocidad máxima posible de transferencia de calor

La eficiencia ε compara la velocidad de transferencia térmica real, que esla absorbida por el
fluido que se calienta, con la velocidad de transferencia térmica máxima que podría transmitirse en
un intercambiador en contracorriente de superficie de intercambio infinita, cuyos límites viene
impuestos por el Segundo Principio de la Termodinámica, que tiene en cuenta los focos térmicos a
las temperaturas extremas T F1 (foco frío) y TC1 (foco caliente).
En unintercambiador en contracorriente de superficie de intercambio infinita con CF < C C
resulta que TF2 →TC1 , y el valor de: Qmáx= CF (TF2 - TF1) = CF (TC1 - TF1)
En un intercambiador en contracorriente de superficie de intercambio infinita con CC < C F
resulta que TC2 →TF1, y el valor de: Qmáx= CC (TC1 - TC2) = CC (TC1 - TF1)
por lo que si se pone que Cmín = mín (CC , CF), resulta que la máximatransferencia de calor en cualquier tipo de intercambiador es:
Q máx = C mín (TC1 - TF1 )
observándose que es la corriente cuya capacidad térmica de flujo es menor la que establece el
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límite de la cantidad de calor que se puede transferir.
En consecuencia se puede poner:
ε=

C F (TF2 - TF1 )
C C (TC1 - TC2 )
Q
Q
=
=
=
Q máx
C mín (TC1 - TF1 )
C mín (TC1 - TF1 )
C mín (TC1 -TF1 )

siendo Cmín la menor de las capacidades caloríficas CC o CF.
La velocidad máxima posible de transferencia térmica descrita en el denominador es la que se
obtendría en un intercambiador de calor en contracorriente, con superficie de transferencia térmica infinita.
En estas circunstancias, si no existen pérdidas térmicas, se pueden presentar dos situaciones:
a) Cuando se cumpla que:
m Cc pC < m F c pF ó

C C < C F ; C mín = C C

para superficie de intercambio infinita:
ε =

C F (TF2 - TF1 )
=
C mín (TC1 - TF1 )

A

ε=

C C (TC1 - TC2 )
=
C mín (TC1 - TF1 )

A

→

∞

TC2 = TF1
→

∞

TC2 = TF1

=

C F (TF2 - TF1 )
Q
= Q = 1
C C (TC1 - TC2 )

=

C C (TC1 - TC2 )
= 1
C C (TC1 - TC2 )

la temperatura de salida del fluido que se enfría TC2sería igual a la temperatura de entrada del
fluido más frío TF1.
b) A su vez, cuando se cumpla:
m C c pC > m F c pF ó

CC > CF

;

C mín = C F

para superficie de intercambio infinita:
ε=

C F (TF2 - TF1 )
=
C mín (TC1 - TF1 )

ε=

C C (TC1 - TC2 )
=
C mín (TC1 - TF1 )

A

→

∞

TF2 = TC1
A

→

∞

TF2 = TC1

=

C F (TF2 - TF1 )
= 1
C F (TF2 - TF1 )

=C C (TC1 - TC2 )
Q
= Q = 1
C F (TF2 - TF1 )

y la temperatura de salida del fluido más frío TF2 sería igual a la temperatura de entrada del fluido
más caliente TC1 .
En ambas situaciones se observa que para superficie de intercambio infinita la eficiencia es del
100%.

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Fig XVIII.1.- Flujos paralelos en contracorriente con superficie de intercambio infinita

Una vezconocida la eficiencia ε de un intercambiador de calor, se puede determinar directamente la velocidad de transferencia térmica Q y las temperaturas de salida de los fluidos, mediante
la ecuación:
Q = ε C mín (TC1 - TF1 ) = C F (TF2 - TF1 ) = C C (TC1 - TC2 )
que es la relación básica de este análisis y expresa la velocidad de transferencia térmica en función
de la eficacia ε, (cuyo valor hay...