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Ejemplo: cálculo del intercambiador de calor

Considere un intercambiador de calor de flujo paralelo , que se utiliza para enfriar el aceite de 70 ° C a 40 ° C con agua disponible a 30 ° C. La temperatura de salida del agua es de 36 ° C. La tasa de flujo de aceite es de 1 kg / s. El calor específico del aceite es 2,2 kJ / kg K. El coeficiente global de transferencia de calor U = 200 W / m ² K .

Calcule la diferencia de temperatura media logarítmica . Determine el área de este intercambiador de calor requerida para este rendimiento.

1. LMTD

La diferencia de temperatura media logarítmica se puede calcular simplemente usando su definición:

2. Área de intercambiador de calor

Para calcular el área de este intercambiador de calor, tenemos que calcular la tasa de flujo de calor usando la tasa de flujo másico de aceite y LMTD.

El área requerida de este intercambiador de calor se puede calcular directamente utilizando la ecuación general de transferencia de calor:

Ejemplo: problema con la solución. Cálculo del intercambiador de calor

Método de efectividad de NTU

El método de diferencia de temperatura media de registro (LMTD) discutido en la sección anterior es fácil de usar en el análisis del intercambiador de calor cuando las temperaturas de entrada y salida de los fluidos calientes y fríos son conocidas o pueden determinarse a partir de un balance de energía. Por lo tanto, el método LMTD es muy adecuado para determinar el tamaño y el rendimiento de un intercambiador de calor.

Cuando el conocimiento directo del LMTD no está disponible y se puede utilizar el método NTU (método de Número de unidades de transferencia ). Este método se basa en un parámetro adimensional llamado efectividad de transferencia de calor, definido como:

Como puede verse, la efectividad es la relación entre la tasa de transferencia de calor real y la tasa de transferencia de calor máxima posible. Para definir la efectividad de un intercambiador de calor, primero debemos determinar la tasa de transferencia de calor máxima posible, q _max , para el intercambiador de calor.

Método de efectividad de NTU

Otras lecturas:

1. Fundamentos de la transferencia de calor y masa, 7ª edición. Theodore L. Bergman, Adrienne S. Lavine, Frank P. Incropera. John Wiley & Sons, Incorporated, 2011. ISBN: 9781118137253.
2. Transferencia de calor y masa. Yunus A. Cengel. McGraw-Hill Education, 2011. ISBN: 9780071077866.

Pinch Point – Intercambiador de calor

Hay otro aspecto interesante del diseño en que la diferencia de temperatura conocida como “pellizco” puede limitar el rendimiento de los intercambiadores de calor si las áreas y los caudales no están diseñados adecuadamente. El punto de pellizco es la ubicación en el intercambiador de calor donde la diferencia de temperatura entre el fluido caliente y el frío es mínima en esa ubicación.

LMTD – Condensadores y calderas

Los generadores y condensadores de vapor también son ejemplos de componentes encontrados en instalaciones nucleares donde se necesita el concepto de LMTD para abordar ciertos problemas. Cuando el agua subenfriada ingresa al generador de vapor, debe calentarse hasta su punto de ebullición y luego debe evaporarse. Debido a que la evaporación tiene lugar a temperatura constante, no se puede usar un solo LMTD. En este caso, el intercambiador de calor debe tratarse como una combinación de dos o tres intercambiadores de calor (cuando se produce sobrecalentamiento).

Diferencia de temperatura media logarítmica – LMTD

Para resolver ciertos problemas del intercambiador de calor, los ingenieros a menudo usan una diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) , que se utiliza para determinar la fuerza impulsora de la temperatura para la transferencia de calor en los intercambiadores de calor. LMTD se introduce debido al hecho de que el cambio de temperatura que tiene lugar a través del intercambiador de calor desde la entrada hasta la salida no es lineal .

La transferencia de calor a través de la pared del intercambiador de calor en una ubicación dada viene dada por la siguiente ecuación:

Aquí el valor del coeficiente global de transferencia de calor se puede suponer como una constante. Por otro lado, la diferencia de temperatura varía continuamente con la ubicación (especialmente en la disposición de contraflujo). Para determinar el flujo de calor total, el flujo de calor debe resumirse utilizando áreas elementales y la diferencia de temperatura en el lugar o, de manera más conveniente, los ingenieros pueden promediar el valor de la diferencia de temperatura. La ecuación del intercambiador de calor se puede resolver mucho más fácilmente si pudiéramos definir una “Diferencia de temperatura media” (MTD) . De la figura se puede ver que la diferencia de temperatura varía a lo largo del flujo y que el promedio aritmético puede no ser el promedio real, por lo tanto, los ingenieros usan la diferencia de temperatura media logarítmica. Los “La diferencia de temperatura media logarítmica ” (LMTD) es un promedio logarítmico de la diferencia de temperatura entre las alimentaciones de calor y frío en cada extremo del intercambiador de calor. Cuanto más grande es el LMTD, más calor se transfiere. De la figura se puede ver que la diferencia de temperatura varía a lo largo del flujo y que el promedio aritmético puede no ser el promedio real.

Para el intercambiador de calor que tiene dos extremos (que llamamos “A” y “B”) en los que las corrientes de calor y frío entran o salen a ambos lados, el LMTD se define como:

La transferencia de calor viene dada por:

Esto es válido tanto para la disposición de flujo paralelo, donde las corrientes entran desde el mismo extremo, como para la disposición de contraflujo, donde ingresan desde diferentes extremos.

En un flujo cruzado, en el que un sistema, generalmente el disipador de calor, tiene la misma temperatura nominal en todos los puntos de la superficie de transferencia de calor, existe una relación similar entre el calor intercambiado y el LMTD, pero con un factor de corrección. También se requiere un factor de corrección para otras geometrías más complejas, como un intercambiador de carcasa y tubo con deflectores.

LMTD – Condensadores y calderas

Los generadores y condensadores de vapor también son ejemplos de componentes encontrados en instalaciones nucleares donde se necesita el concepto de LMTD para abordar ciertos problemas. Cuando el agua subenfriada ingresa al generador de vapor, debe calentarse hasta su punto de ebullición y luego debe evaporarse. Debido a que la evaporación tiene lugar a temperatura constante, no se puede usar un solo LMTD. En este caso, el intercambiador de calor debe tratarse como una combinación de dos o tres intercambiadores de calor (cuando se produce sobrecalentamiento).

Ensuciamiento – Factor de ensuciamiento

El monitoreo en línea de los intercambiadores de calor comerciales se realiza mediante el seguimiento del coeficiente general de transferencia de calor , porque el coeficiente general de transferencia de calor tiende a disminuir con el tiempo debido a la contaminación . El ensuciamiento es la acumulación de material no deseado en superficies sólidas en detrimento de la función. Los materiales contaminantes pueden consistir en organismos vivos o una sustancia no viva (minerales o compuestos orgánicos). La capa de depósitos representa una resistencia adicional a la transferencia de calor y hace que disminuya la velocidad de transferencia de calor en un intercambiador de calor. Como resultado, ensuciamientoen los intercambiadores de calor reduce la eficiencia térmica, disminuye el flujo de calor, aumenta la temperatura en el lado caliente, disminuye la temperatura en el lado frío, induce corrosión debajo del depósito, aumenta el uso de agua de enfriamiento. El efecto neto de estas acumulaciones en la transferencia de calor está representado por un factor de incrustación , Rf, que es una medida de la resistencia térmica general introducida por la incrustación.

Coeficiente general de transferencia de calor

Un intercambiador de calor típicamente involucra dos fluidos que fluyen separados por una pared sólida. Muchos de los procesos de transferencia de calor que se encuentran en la industria involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de conducción y convección . El calor se transfiere primero del fluido caliente a la pared por convección, a través de la pared por conducción, y de la pared al fluido frío nuevamente por convección.

Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor en general , conocido como un factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton :

El coeficiente global de transferencia de calor, U, está relacionado con la resistencia térmica total y depende de la geometría del problema. Por ejemplo, la transferencia de calor en un generador de vapor implica la convección desde la mayor parte del refrigerante del reactor a la superficie del tubo interno del generador de vapor, la conducción a través de la pared del tubo y la convección (ebullición) desde la superficie del tubo externo al fluido lateral secundario.

En casos de transferencia de calor combinada para un intercambiador de calor, hay dos valores para h. Existe el coeficiente de transferencia de calor convectivo (h) para la película de fluido dentro de los tubos y un coeficiente de transferencia de calor convectivo para la película de fluido fuera de los tubos. La conductividad térmica (k) y el espesor (? X) de la pared del tubo también deben tenerse en cuenta.

Intercambiador de calor de placas

Intercambiador de calor de placas

Un intercambiador de calor de placas es un tipo de intercambiador de calor que utiliza placas de metal para transferir calor entre dos fluidos. Esta disposición es popular entre los intercambiadores de calor que usan aire o gas, así como el flujo de fluido a baja velocidad. El ejemplo clásico de un intercambiador de calor se encuentra en un motor de combustión interna en el que un refrigerante del motor fluye a través de las bobinas del radiador y el aire fluye más allá de las bobinas, lo que enfría el refrigerante y calienta el aire entrante. En comparación con los intercambiadores de carcasa y tubo, la disposición de la placa apilada generalmente tiene un menor volumen y costo. Otra diferencia entre los dos es que los intercambiadores de placas generalmente sirven fluidos de baja a media presión, en comparación con presiones medias y altas de carcasa y tubo.

Intercambiador de calor de carcasa y tubo

Intercambiador de calor de carcasa y tubo

Intercambiadores de calor de carcasa y tubosEn sus diversas construcciones, las modificaciones son probablemente la configuración básica del intercambiador de calor más extendida y comúnmente utilizada en la industria. Los intercambiadores de calor de carcasa y tubo se clasifican según el número de pasadas de carcasa y tubo involucradas. Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos se usan típicamente para aplicaciones de alta presión (con presiones superiores a 30 bar y temperaturas superiores a 260 ° C). Esto se debe a que los intercambiadores de calor de carcasa y tubo pueden soportar altas presiones debido a su forma. En este tipo de intercambiador de calor, se colocan varias tuberías de pequeño diámetro entre dos placas de tubos y el fluido primario fluye a través de estos tubos. El haz de tubos se coloca dentro de una carcasa y el fluido secundario fluye a través de la carcasa y sobre la superficie de los tubos. En ingeniería nuclear,alimenta agua al vapor del calor producido en el núcleo de un reactor nuclear . Para aumentar la cantidad de calor transferido y la potencia generada, la superficie de intercambio de calor debe maximizarse. Esto se obtiene mediante el uso de tubos . Cada generador de vapor puede contener entre 3.000 y 16.000 tubos, cada uno de unos 19 mm de diámetro.

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Coeficiente general de transferencia de calor

Un intercambiador de calor típicamente involucra dos fluidos que fluyen separados por una pared sólida. Muchos de los procesos de transferencia de calor que se encuentran en la industria involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de conducción y convección . El calor se transfiere primero del fluido caliente a la pared por convección, a través de la pared por conducción, y de la pared al fluido frío nuevamente por convección.

Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor en general , conocido como un factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton :

El coeficiente global de transferencia de calor, U, está relacionado con la resistencia térmica total y depende de la geometría del problema. Por ejemplo, la transferencia de calor en un generador de vapor implica la convección desde la mayor parte del refrigerante del reactor a la superficie del tubo interno del generador de vapor, la conducción a través de la pared del tubo y la convección (ebullición) desde la superficie del tubo externo al fluido lateral secundario.

En casos de transferencia de calor combinada para un intercambiador de calor, hay dos valores para h. Existe el coeficiente de transferencia de calor convectivo (h) para la película de fluido dentro de los tubos y un coeficiente de transferencia de calor convectivo para la película de fluido fuera de los tubos. La conductividad térmica (k) y el espesor (? X) de la pared del tubo también deben tenerse en cuenta.

Análisis del intercambiador de calor – Cálculo del intercambiador de calor

Los intercambiadores de calor se usan comúnmente en la industria, y el diseño adecuado de un intercambiador de calor depende de muchas variables. En el análisis de los intercambiadores de calor, a menudo es conveniente trabajar con un  coeficiente de transferencia de calor en general , conocido como un factor U. El factor U se define por una expresión análoga a  la ley de enfriamiento de Newton . Además, los ingenieros también utilizan la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) para determinar la fuerza impulsora de la temperatura para la transferencia de calor en los intercambiadores de calor.

Referencia especial: John R. Thome, Libro de datos de ingeniería III. Wolverine Tube Inc. 2004.

Estos términos y métodos, que se utilizan ampliamente para seleccionar un intercambiador de calor apropiado, se describen a continuación.

Análisis del intercambiador de calor: cálculo del rendimiento

Coeficiente general de transferencia de calor

Un intercambiador de calor típicamente involucra dos fluidos que fluyen separados por una pared sólida. Muchos de los procesos de transferencia de calor que se encuentran en la industria involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de conducción y convección . El calor se transfiere primero del fluido caliente a la pared por convección, a través de la pared por conducción, y de la pared al fluido frío nuevamente por convección.

Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor en general , conocido como un factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton :

El coeficiente global de transferencia de calor, U, está relacionado con la resistencia térmica total y depende de la geometría del problema. Por ejemplo, la transferencia de calor en un generador de vapor implica la convección desde la mayor parte del refrigerante del reactor a la superficie del tubo interno del generador de vapor, la conducción a través de la pared del tubo y la convección (ebullición) desde la superficie del tubo externo al fluido lateral secundario.

En casos de transferencia de calor combinada para un intercambiador de calor, hay dos valores para h. Existe el coeficiente de transferencia de calor convectivo (h) para la película de fluido dentro de los tubos y un coeficiente de transferencia de calor convectivo para la película de fluido fuera de los tubos. La conductividad térmica (k) y el espesor (? X) de la pared del tubo también deben tenerse en cuenta.

Diferencia de temperatura media logarítmica – LMTD

Para resolver ciertos problemas del intercambiador de calor, los ingenieros a menudo usan una diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) , que se utiliza para determinar la fuerza impulsora de la temperatura para la transferencia de calor en los intercambiadores de calor. LMTD se introduce debido al hecho de que el cambio de temperatura que tiene lugar a través del intercambiador de calor desde la entrada hasta la salida no es lineal .

La transferencia de calor a través de la pared del intercambiador de calor en una ubicación dada viene dada por la siguiente ecuación:

Aquí el valor del coeficiente global de transferencia de calor puede asumirse como una constante. Por otro lado, la diferencia de temperatura varía continuamente con la ubicación (especialmente en la disposición de contraflujo). Para determinar el flujo de calor total, o bien el flujo de calor debe resumirse usando áreas elementales y la diferencia de temperatura en el lugar o, más convenientemente, los ingenieros pueden promediar el valor de la diferencia de temperatura. La ecuación del intercambiador de calor se puede resolver mucho más fácilmente si pudiéramos definir una “Diferencia de temperatura media” (MTD) . Se puede ver en la figura que la diferencia de temperatura varía a lo largo del flujo y que el promedio aritmético puede no ser el promedio real, por lo tanto, los ingenieros usan la diferencia de temperatura media logarítmica. Los “La diferencia de temperatura media logarítmica ” (LMTD) es un promedio logarítmico de la diferencia de temperatura entre las alimentaciones de calor y frío en cada extremo del intercambiador de calor. Cuanto más grande es el LMTD, más calor se transfiere. De la figura se puede ver que la diferencia de temperatura varía a lo largo del flujo y que el promedio aritmético puede no ser el promedio real.

Para el intercambiador de calor que tiene dos extremos (que llamamos “A” y “B”) en los que las corrientes de calor y frío entran o salen a ambos lados, el LMTD se define como:

La transferencia de calor viene dada por:

Esto es válido tanto para la disposición de flujo paralelo, donde las corrientes entran desde el mismo extremo, como para la disposición de contraflujo, donde ingresan desde diferentes extremos.

En un flujo cruzado, en el que un sistema, generalmente el disipador de calor, tiene la misma temperatura nominal en todos los puntos de la superficie de transferencia de calor, existe una relación similar entre el calor intercambiado y el LMTD, pero con un factor de corrección. También se requiere un factor de corrección para otras geometrías más complejas, como un intercambiador de carcasa y tubo con deflectores.

LMTD – Condensadores y calderas

Los generadores y condensadores de vapor también son ejemplos de componentes encontrados en instalaciones nucleares donde se necesita el concepto de LMTD para abordar ciertos problemas. Cuando el agua subenfriada ingresa al generador de vapor, debe calentarse hasta su punto de ebullición y luego debe evaporarse. Debido a que la evaporación tiene lugar a temperatura constante, no se puede usar un solo LMTD. En este caso, el intercambiador de calor debe tratarse como una combinación de dos o tres intercambiadores de calor (cuando se produce sobrecalentamiento).

Pinch Point – Intercambiador de calor

Hay otro aspecto interesante del diseño en que la diferencia de temperatura conocida como “pellizco” puede limitar el rendimiento de los intercambiadores de calor si las áreas y los caudales no están diseñados adecuadamente. El punto de pellizco es la ubicación en el intercambiador de calor donde la diferencia de temperatura entre el fluido caliente y el frío es mínima en esa ubicación.

Método de efectividad de NTU

El método de diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) discutido en la sección anterior es fácil de usar en el análisis del intercambiador de calor cuando las temperaturas de entrada y salida de los fluidos calientes y fríos son conocidas o pueden determinarse a partir de un balance de energía. Por lo tanto, el método LMTD es muy adecuado para determinar el tamaño y el rendimiento de un intercambiador de calor.

Cuando el conocimiento directo del LMTD no está disponible y se puede utilizar el método NTU (método de Número de unidades de transferencia ). Este método se basa en un parámetro adimensional llamado efectividad de transferencia de calor, definido como:

Como puede verse, la efectividad es la relación entre la tasa de transferencia de calor real y la tasa de transferencia de calor máxima posible. Para definir la efectividad de un intercambiador de calor, primero debemos determinar la tasa de transferencia de calor máxima posible, q _max , para el intercambiador de calor.

Intercambiadores de calor de doble tubo

Intercambiadores de calor de doble tubo.

Los intercambiadores de calor de doble tubería son económicos tanto para el diseño como para el mantenimiento, lo que los convierte en una buena opción para las pequeñas industrias. En estos intercambiadores, un fluido fluye dentro del tubo y el otro fluido fluye hacia el exterior. Aunque son simples y baratos, su baja eficiencia, junto con el alto espacio ocupado en grandes escalas, ha llevado a las industrias modernas a usar intercambiadores de calor más eficientes como carcasa y tubo.