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¿Qué es el análisis del intercambiador de calor? Cálculo del rendimiento: definición

En el análisis de los intercambiadores de calor, a menudo es conveniente trabajar con términos como LMTD y U-factor. Estos términos se definen en Análisis del intercambiador de calor – Cálculo del rendimiento. Ingenieria termal

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

Factor U - Coeficiente general de transferencia de calorUn 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 :

coeficiente global de transferencia de calor - ecuación

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.

 

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 . Al calcular periódicamente el coeficiente global de transferencia de calor a partir de los caudales y las temperaturas del intercambiador, el operador del intercambiador de calor puede estimar la vida útil de los intercambiadores de calor.

 

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:

coeficiente global de transferencia de calor - ecuación

diferencia de temperatura media logarítmica - ejemploAquí 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:

diferencia de temperatura media logarítmica - definición

La transferencia de calor viene dada por:

LMTD - ecuación de transferencia de calor

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

Generador de vapor - intercambiador de calor de contraflujo
Gradientes de temperatura en el generador de vapor PWR típico.

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:

Método de efectividad de NTU - ecuación

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.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.