Intercambiadores de calor
Los intercambiadores de calor son dispositivos que se utilizan para transferir energía térmica de un fluido a otro sin mezclar los dos fluidos. Los fluidos generalmente están separados por una pared sólida (con alta conductividad térmica ) para evitar la mezcla o pueden estar en contacto directo.
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 ingeniería energética, las aplicaciones comunes de los intercambiadores de calor incluyen generadores de vapor , enfriadores de ventilador, intercambiadores de calor de agua de enfriamiento y condensadores . Por ejemplo, el generador de vapor se utiliza para convertir el agua de alimentación en vapor del calor producido en el núcleo de un reactor nuclear . El vapor producido impulsa la turbina.
La transferencia de calor en un intercambiador de calor generalmente implica convección en cada fluido y conducción térmica a través de la pared que separa los dos fluidos. 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.
Tipos de intercambiadores de calor – Clasificación de los intercambiadores de calor
Los intercambiadores de calor generalmente se clasifican de acuerdo con la disposición del flujo y el tipo de construcción. El intercambiador de calor más simple es aquel en el que los fluidos calientes y fríos se mueven en la misma dirección o en direcciones opuestas. Este intercambiador de calor consta de dos tubos concéntricos de diferentes diámetros.
- disposición de flujo paralelo . En la disposición de flujo paralelo, los fluidos calientes y fríos entran en el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y salen en el mismo extremo.
- disposición de contraflujo . En la disposición de contraflujo, los fluidos entran en los extremos opuestos, fluyen en direcciones opuestas y salen en los extremos opuestos.
La figura representa las direcciones del flujo de fluido en los intercambiadores paralelos y de contraflujo. En condiciones comparables, se transfiere más calor en una disposición de contraflujo que en un intercambiador de calor de flujo paralelo. Los perfiles de temperatura de los dos intercambiadores de calor indican dos desventajas principales en el diseño de flujo paralelo.
- La gran diferencia de temperatura en los extremos provoca grandes tensiones térmicas.
- La temperatura del fluido frío que sale del intercambiador de calor nunca excede la temperatura más baja del fluido caliente.
El diseño de un intercambiador de calor de flujo paralelo es ventajoso cuando se requieren dos fluidos para llevar casi a la misma temperatura.
- 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 a gran escala, ha llevado a las industrias modernas a usar intercambiadores de calor más eficientes como carcasa y tubo.
- Intercambiadores de calor de carcasa y tubo.Los intercambiadores de calor de carcasa y tubo en sus diversas modificaciones de construcción son probablemente la configuración de intercambiador de calor básica 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.
- Intercambiadores 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 el 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.
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. Los siguientes términos y métodos se utilizan ampliamente para seleccionar un intercambiador de calor apropiado .
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.
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