exposicion maquinas termicas

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Maquinas Térmicas 16/05/2013

Audeves Feliz RicardoCorral Gerardo Geovanny AndrésEsparza Armenta Christian JavierValle Hernández José OctavioVega Vega Gelasio

Coeficiente Global de Transferencia de Calor

Existen ciertos tipos de problemas, principalmente relacionados con intercambiadores de calor, donde es conveniente simplificar el cálculo del calor, esto se realiza incorporando el concepto de coeficiente global de transferencia de calor, U , el cual se relaciona con el calor mediante la siguiente ecuación:

Donde: U: Coeficiente global de transferencia de calor

Coeficiente Global de Transferencia de Calor

Con relación a la analogía eléctrica podríamos señalar que el coeficiente Global de transferencia de calor se obtiene al reducir todo el circuito eléctrico análogo, a una sola resistencia total, la cual se relaciona con, U, a través de:

Factores de Suciedad

Estos son normalmente proporcionados por el cliente basándose en su experiencia con el funcionamiento de su planta en producción o proceso, pero si éstos no son definidos o acotados apropiadamente dentro de ciertos niveles pueden hacer totalmente inútil la labor del ingeniero por muy hábil que sea en el diseño del intercambiador. Representan la resistencia teórica al flujo de calor debido a la acumulación de una capa de suciedad o cualquier otra sustancia en uno o los dos lados de las superficies del tubo, pero a menudo se 'engordan' por el usuario final en un intento de minimizar la frecuencia de las paradas para limpieza del intercambiador.

Ensuciamiento químico:En el que cambios químicos en el fluido causan que se deposite unacapa de ensuciamiento sobre la superficie (interna o externa) de lostubos. Un ejemplo común de este fenómeno es la expansión en una

ollao caldera causados por el depósito de sales de calcio en los elementosde calentamiento conforme la solubilidad de las sales disminuye alaumentar la temperatura. Este tipo está fuera del control deldiseñador de intercambiadores de calor pero puede ser minimizadocontrolando cuidadosamente la temperatura del tubo en contacto conel fluido. Cuando se presenta este tipo de ensuciamiento normalmentees eliminado mediante tratamiento químico o procesos mecánicos

(cepillosde acero, taladros o incluso pistolas de agua a alta presión en algunoscasos).

Tipos de Ensuciamiento

Ensuciamiento biológico:causado por el crecimiento de organismos en el fluidoque se depositan en la superficie. Esté tipo también estáfuera del control del diseñador del intercambiador peropuede verse influido por la elección de los materiales yaque algunos, notablemente los latones no ferrosos, sonvenenosos para algunos organismos. Cuando se presentaeste tipo de ensuciamiento normalmente es eliminadomediante tratamiento químico o procesos mecánicosabrasivos.



Ensuciamiento por depósito:en el que las partículas en el fluido se acumulan en lasuperficie cuando la velocidad cae por debajo de cierto nivelcrítico. Esto está en gran medida bajo el control del diseñadorya que la velocidad crítica de cualquier combinaciónfluido/partícula puede ser calculada para permitir un diseñoen el que la velocidad mínima sea siempre mayor que lacrítica. Montar el intercambiador de calor verticalmentetambién puede minimizar los efectos ya que la gravedad tiende allevar las partículas fuera del intercambiador fuera de la superficiede intercambio térmico. Cuando se presenta este tipo deensuciamiento normalmente es eliminado mediante procesos decepillado mecánico.


Ensuciamiento por corrosión:en el que una capa producto de la corrosión se acumulaen la superficie del tubo, formando una capa extra,normalmente de material con un alto nivel de

resistenciatérmica. Mediante la elección adecuada de los

materialesde construcción los efectos pueden ser minimizados ya

queexiste a disposición del fabricante de intercambiadores

unamplio rango de materiales resistentes a la corrosiónbasados en acero inoxidable.

Tipos de Intercambiadores de Calor

FLUJO PARALELOEn un intercambiador de flujo paralelo el

fluidocon mayor temperatura y el fluido con

menortemperatura fluyen en la misma

dirección.


CONTRAFLUJO:En un intercambiador de Contraflujo el

fluido conmayor temperatura y el fluido con menortemperatura fluyen en con la misma

direcciónpero en sentido contrario.


FLUJO CRUZADO:En un intercambiador de flujo cruzado el

fluidocon mayor temperatura y el fluido con

menortemperatura fluyen formando un ángulo

de90 entre ambos, es decir perpendicular

uno alotro.


DE UN SOLO PASO:Los intercambiadores de un solo paso

tienen fluidosque transfieren calor de uno a otro una

sola vez.


MULTIPLES PASOS:Los intercambiadores de múltiple paso

tienenfluidos que transfieren calor de uno a

otro másde una vez a través del uso de tubos en

formade "U" y el uso de bafles.


REGENERATIVO:Los intercambiadores de calor

regenerativos usanel mismo fluido para calentar y enfriar.


NO REGENERATIVO:Los intercambiadores de calor no-

regenerativosusan fluidos separados para calentar y

enfriar.

Temperatura Media Logarítmica

La diferencia de temperaturas medias entre los fluidos caliente y frio para toda la superficie del intercambio de calor, depende de la dirección de ambos fluidos.

Intercambio paralelo: el recorrido que realizan los fluidos son en el mismo sentido.

Intercambio en contracorriente: se da cuando los fluidos tienen un recorrido paralelo, pero en este caso están encontrados.

La temperatura media se considera de dos formas: Aritmética Logarítmica

Para determina la diferencia de temperaturas se utiliza la diferencia detemperaturas media logarítmica (LMTD)

ΔTmayor: diferencia de temperaturas mayor

ΔTmenor: diferencia de temperaturas menor

La diferencia de temperaturas es la fuerza impulsora. Cuando mayor es la

diferencia, mayor es la velocidad de transferencia de calor y mas pequeña es la

superficie de intercambio necesaria.

Temperatura Media Logarítmica

Numero de Unidades de Transferencia (NUT) – Eficiencia

Cuando solo se conocen las temperaturas de entrada en el LMTD, se requiere de un procedimiento

iterativo. En estos casos es preferible utilizar el método de eficiencia-NUT.

NUT= UA/Cmin

UA: capacidad de transferencia por grado de diferencia de temperatura entre los fluidos.Cmín: cantidad de calor que hay que transferir por grado de calentamiento o enfriamiento.

Se usa para calcular la velocidad de transmisión de calor Físicamente es una “medida del tamaño” del intercambiador

La eficiencia en un intercambiador se determina la transferencia de calor máxima y la transferencia de calor real.

Para el análisis de los intercambiadores de calor por el método del NUT los resultados se obtienen de manera exacta utilizando la eficiencia

Numero de Unidades de Transferencia (NUT) – Eficiencia

Intercambiadores de Calor Compactos

Son intercambiadores diseñados para lograr un gran área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen. La razón entre el área superficial de transferencia de calor y su volumen es la densidad de área b. Un intercambiador con b > 700 m2/m3 se clasifica como compacto. Ejemplos de intercambiadores de calor compactos son los radiadores de automóviles, los intercambiadores de calor de cerámica de vidrio de las turbinas de gas, el regenerador del motor Stirling y el pulmón humano.

En los intercambiadores compactos los dos fluidos suelen moverse en direcciones ortogonales entre sí. Esta configuración de flujo recibe el nombre de flujo cruzado. El flujo cruzado se clasifica a su vez en mezclado ( uno de los fluidos fluye libremente en dirección ortogonal al otro sin restricciones ) y no mezclado ( se disponen una placas para guiar el flujo de uno de los fluidos ).

Intercambiadores de Calor Compactos

Análisis de Propiedades en los Intercambiadores de Calor

Para el diseño térmico de un Intercambiador de Calor se hace un balance de calor entre los fluidos calientes y fríos sobre la superficie de intercambio térmico:

En un caso sin cambio de fases:

Además si consideramos la ley de enfriamiento de Newton:

Intercambiador de calor en flujo paralelo.

En este caso el fluido frio y el fluido caliente circulan en la misma dirección, así Δtm es grande al comienzo y disminuye con x. En este Intercambiador de calor la temperatura de salida del fluido frio nunca excede la temperatura de salida del fluido caliente.

Análisis de Propiedades en los Intercambiadores de Calor

Consideraciones Sobre el Diseño de Intercambiadores de Calor

En las industrias de procesos y plantas de potencia, o de actividades relacionadas, se adquieren cambiadores de calor como elementos independientes, y la selección se hace basándose en el coste y en las especificaciones que suministran los diferentes fabricantes.

En aplicaciones más especializadas, como son las industrias aeroespacial y electrónica, se exige con frecuencia un diseño en particular. Cuando el cambiador de calor forma parte del conjunto de una máquina o un dispositivo que se va a fabricar, puede comprarse un elemento estándar; o si las consideraciones económicas y las cantidades a fabricar lo justifican, se puede diseñar especialmente el cambiador de calor para la aplicación.


Tanto si el cambiador de calor se selecciona como elemento independiente, como si se diseña especialmente para la aplicación, casi siempre se tienen en cuenta los siguientes factores:

1.Necesidades de transferencia de calor. 2.Coste. 3. Tamaño físico. 4. Caídas de presión

La selección o el diseño de cualquier cambiador de calor debe cubrirlas necesidades de transferencia de calor. La manera en que se cubren estas necesidades depende de las influencias relativas de los puntos 2 al 4.


El coeficiente global de transferencia de calor se puede aumentar haciendo que los fluidos circulen a mayor velocidad a través del cambiador de calor, pero esta mayor velocidad origina una mayor caída depresión a través del cambiador y, por tanto, mayores costes de bombeo. Si se aumenta el área superficial del cambiador, el coeficiente global de transferencia de calor y la caída de presión, no necesitan ser tan grandes; sin embargo, puede haber limitaciones en cuanto al tamaño físico para su ubicación, y un tamaño físico mayor origina un coste del cambiador de calor más alto. Un juicio prudente y la consideración de todos estos factores desembocará en un diseño adecuado.


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