Intercambia dores de Calor

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Mecánica de Fluidos y Termodinámica

UNIDAD V

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Posiblemente una de las aplicaciones más comunes de la transferencia de calor se
encuentra en el diseño y selección de intercambiadores de calor. Aun cuando los
problemas que intervienen en el diseño completo de un intercambiador de calor son
múltiples y de carácter muy diverso, la metodología parapredecir el comportamiento
fémico es relativamente sencilla.
Dentro de los múltiples aspectos que se deben considerar en el diseño de un
intercambiador de calor cabe enumerar los siguientes: Esfuerzos mecánicos y
dilataciones térmicas en las tuberías, problemas de corrosión, depósito de sólidos en las
líneas de flujo, caídas de presión, peso y tamaño del intercambiador y desde luego elcosto. Este último factor juega eventualmente un papel sumamente importante en el
diseño ó selección de un tipo de intercambiador de calor y debe mantenerse siempre
en mente.
Existen numerosas geometrías de intercambiadores de calor empleadas usualmente en
la práctica.
La Figura 1 muestra el esquema de un intercambiador de calor del tipo de doble tubo y
con flujos en paralelo. En caso de que losfluidos circulen en direcciones opuestas, el
intercambiador de calor viene a ser de flujos opuestos o en contracorriente. En
cualquiera de estos dos casos uno de los fluidos, el caliente o el frío, ocupa el espacio
anular y el otro circula por dentro del tubo interior.

Figura 1. Intercambiador de calor de doble
tubo con flujos en paralelo.

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De manera similar la Figura 2 ilustra un intercambiador de calor del tipo de coraza y
tubo con dos pasos de tubos. En este caso uno de los fluidos circula por el interior de
los tubos, mientras que el otro circula por el espacio que dejan estos y la coraza del
intercambiador. Dependiendo del arreglo geométrico que se tenga en los cabezales del
intercambiador se pueden tener uno omás pasos de tubos con el fin de incrementar el
área de la superficie efectiva de transferencia de calor por unidad de volumen. El fluido
que circula por el exterior de los tubos es conducido mediante el uso de desviadores o
mamparas.

Figura 2. Intercambiadores de carcaza y tubos.

Otro tipo de intercambiador de calor ampliamente usado en la práctica es el de flujos
transversales ocruzados, con ambos fluidos sin mezclar, como el que se muestra en el
esquema de la Figura 3. Por otra parte, los flujos pueden estar conducidos de tal forma
que uno de ellos se encuentra mezclado, mientras el otro está sin mezclar. Un
ejemplo de este último arreglo se muestra en el esquema de la Figura 4. Aquí el gas se
encuentra mezclado, mientras que el otro fluido, el caliente o el frío quecircula por los
tubos, se encuentra sin mezclar.
En ciertas aplicaciones especiales, como en el caso de regeneradores para turbinas de
gas, la transferencia de calor por unidad de peso y unidad de volumen es de
considerable importancia. Kays y London han investigado modelos compactos propios
para este tipo de servicio.

Fig. 3. Intercambiador de flujos transversales, con ambos fluidos sinmezclar.

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Fig. 4. Intercambiador de calor de flujos transversales, con un fluido
mezclado y otro sin mezclar.

1. LA DIFERENCIA MEDIA LOGARÍTMICA DE TEMPERATURAS
Considere de nuevo para propósitos de análisis un intercambiador de calor del tipo
de doble tubo y con flujos en paralelo como el de la Figura 1. Sus correspondientesperfiles de temperatura, tanto para el fluido caliente como para el frío, se muestran
en forma general en el esquema de la Figura 1. Para efectuar el análisis térmico
del intercambiador de calor es conveniente usar una expresión similar a la ley de
Newton de enfriamiento en la forma:
(1)

en donde q es el flujo total de calor transferido por el fluido caliente al frío, U
es el coeficiente...