Ingenieria

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2.2.9 Intercambiadores de calor. Los intercambiadores de calor son equipos que permiten transferir energía (calor) de un fluido a otro sin ponerlos en contacto directo, la transferencia se produce a través de una pared sólida que los separa. Un fluído transfiere calor por convección a una pared sólida, el calor atraviesa esta por conducción y por último el otro fluído recibe latransferencia por convección. Los tipos mas usuales son: a.- intercambiadores de doble tubo. b.- intercambiadores de carcasa y tubos. c.- intercambiadores compactos.

A continuación se presenta una breve descripción: a.- Intercambiadores de doble tubo. Están constituídos por dos tubos concéntricos, un fluído circula por el tubo interior y el otro por el ánulo que queda entre ambos tubos, la transferencia serealiza a través de la pared del tubo interior.

Area de flujo fluido sin tubo interior

Area de flujo del fluido en anillo Pared de transferencia

Constructivamente estan constituidos por juegos de tubos concéntricos ,"tes" conectoras, cabezales de retorno y codos en U según el esquema siguiente. Este esquema representa una "horquilla" Los intercambiadores de doble tubo están constituídospor varias horquillas interconectadas para obtener el área de transferencia, que como veremos, se prevé en el cálculo de su diseño.

20

Bases del diseño: Consideramos un tramo de doble tubo:

H2

H1

r1 r2

H1: coef. De transferencia por conveccion fluido 1 – pared. H2: coef. De transferencia por conveccion fluido 2 – pared K: conductividad térmica de la pared.

Supongamos que porel tubo interior circula un fluído 1., con temperatura de entrada T11 y de salida T12, que calienta al fluído 2 que circula por el ánulo con temperatura de entrada T21 de salida T22 (estamos suponiendo (T 1 > T 2) Existen dos posibilidades: i.- Los dos fluidos circulan en la misma dirección: flujo paralelo. En ese caso la variación de temperaturas a lo largo del tramo será:

temperaturas

T11T12 T22 Gráfico 1

T21
O Entrada del tramo

Longitud del tramo

L Salida del tramo

ü.- Los dos fluidos circulan en direcciones contrarias: flujo contracorriente.

21

En ese caso la variación de temperaturas a lo largo del tramo será:

Temperaturas T11 T12 Gráfico 2

T22

T21

O Entrada para el fluido frío

Longitud del tramo L Salida para el fluído frío

Si se consideraun diferencial de la superficie de transferencia (dA), correspondiente a un diferencial de longitud (dL), en el tramo analizado, de manera que se puedan considerar las propiedades de los fluidos constantes,la potencia transferida a través de diferencial de superficie será: dq = 1 ∗ dA ∗ (T 1 * − T 2 *) RT

Siendo T 1 * y T 2 * .las temperaturas del fluido 1 y 2 respectivamente en zona del tramoconsiderado (los fluidos en contacto con la superficie dA) y RT la resistencia térmica entre los fluidos caliente y frío.
dq = 1 r 1 ´´ ln r1 1 ( + 2π ∗ r 1 ∗ dl ∗ h1 2π ∗ k ∗ dl ∗ dA ∗ (T 1 ´´ − T + 1 2π ∗ r 2 ∗ dl ∗ h 2
´´ 2

)

(1)

Siendo dl la longitud de tramo asociado al área dA. r 1 = radio interno del tubo interior r 1 ´ = radio externo del tubo interior Debido a lo delgado de lapared del tubo, en algunos casos, puede considerarse (como buena aproximación) la conducción en una placa plana. En dicho caso:

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r1 ´ r1 e ≈ 2π ∗ k ∗ dl k ∗ 2π ∗ r 1 ∗ dl ln

siendo e =r 1 ´´−r 1

Par obtener toda la potencia transferida en el tramo (q), conceptualmente, deberíamos integrar la ecuación (1).
q

∫ dq = ∫ R
0 A

1
T

* ∗ (T *−t 2 ) ∗ dA 1

El problema es quelas propiedades de los fluídos cambian a lo largo de los tubos debido a la variación de temperatura (ver gráficos 1 y 2). Esto implica que, en cada punto a lo largo de los tubos tendremos distintos. * h1 , h 2 , T * y t 2 . 1

Como resultado de la integración, resulta que el calor total transferido del fluído 1 al 2 por unidad de tiempo en el intercambiador de calor es: 1 q= ∗ A ∗ ∆t global =...