CONFIGURACIONES DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Last updated on enero 20th, 2022 at 09:22 pm

Intercambiadores de calor vienen en lo que a veces parece una variedad infinita de configuraciones para adaptarse al número ilimitado de situaciones de transferencia de calor.  Otros nombres que se usan son: superficies mejoradas, disipadores de calor, disipadores de calor, concentradores de calor, y muchos más. Incluso restringiendo nuestra atención a los intercambiadores de calor de fluido a fluido, hay un enorme número de configuraciones diferentes.  

Muchos cálculos de intercambiadores de calor de fluido a fluido pueden ser formulados en términos descritos por los casos fáciles de visualizar representados por los intercambiadores de calor de tubos concéntricos de flujo contrario y paralelo.

Flujo paralelo y contraflujo

En estas dos configuraciones de flujo, un líquido fluye a través de una tubería central, mientras que el otro fluye en el espacio anular entre la tubería central y una más grande.  Para el análisis rudimentario, no importa qué paso de flujo contiene cada fluido (caliente o frío).  La distribución de la temperatura a lo largo de los intercambiadores de calor sería algo así:

Flujo paralelo y contraflujo, temperatura, (length) longitud, Inlet = entrada, outlet = salida, hot inlet – entrada caliente, hot outlet salida cliente

Nótese que en la configuración de flujo paralelo, la salida fría nunca puede estar más caliente que la salida caliente. De igual manera, la salida caliente nunca puede estar más fría que la salida fría.  A la inversa, ambos escenarios pueden darse en la configuración de contraflujo, como se muestra en la ilustración. 

Podemos pensar un poco en la transferencia de calor para estas dos configuraciones en términos cualitativos antes de volvernos más técnicos.  Recordemos que la tasa de transferencia de calor es siempre proporcional a la diferencia de temperatura.  En el caso del flujo paralelo, hay una gran diferencia de temperatura entre las dos corrientes cerca de las entradas. Existe una diferencia de temperatura mucho menor cerca de las salidas. Potencialmente puede disminuir hasta cero en el caso hipotético de un intercambiador de calor infinitamente largo.   Mientras tanto, para el caso de contraflujo, la diferencia de temperatura será más uniforme en toda la longitud. 

Tasas de transferencia de calor

Podemos utilizar los subíndices «o» para designar la «salida» e «i» para indicar la «entrada» y «c» para el lado frío. Y «h» corresponde al lado caliente. Con esta nomenclatura, y haciendo un balance energético en cada corriente por separado, podemos escribir: 

Q=mh*cph*(Th,o–Th,i)

Q=mc*cpc*(Tc,o–Tc,i)

Donde Q es la tasa de transferencia de calor entre las dos corrientes, m y cp son el caudal másico y la capacidad calorífica del fluido, respectivamente, y T es la temperatura. Estas ecuaciones funcionan exactamente como están escritas tanto para configuraciones de intercambiadores de calor de flujo paralelo como de contraflujo porque son simplemente balances de energía en los dos flujos.  Con dos ecuaciones independientes, podemos determinar un máximo de dos incógnitas.  Así que si todo lo demás fuera conocido, podríamos calcular las dos temperaturas de salida. O bien, podríamos determinar una temperatura de salida y la tasa de transferencia de calor.

Coeficiente de transferencia de calor

Se puede establecer una tercera ecuación definiendo un coeficiente global de transferencia de calor (U) entre las dos corrientes como 

U≡ (Q/A)/∆T

Donde Q es la tasa de transferencia de calor, A es el área de transferencia de calor y ΔT es una diferencia de temperatura.  Mientras que Q y A son inequívocos, de las distribuciones de temperatura se desprende que la diferencia de temperatura entre las dos corrientes varía con la posición. Por lo tanto, no está inmediatamente claro cuál es el ΔT adecuado, incluso en los casos relativamente sencillos de intercambiadores de calor de tubos concéntricos.  Analizando un elemento diferencial del intercambiador de calor, y luego integrando sobre la longitud, se puede demostrar que el ΔT apropiado es la «diferencia de temperatura logarítmica» definida en este artículo:

Intercambiadores de calor: Estudio de caso

Ahora, con tres ecuaciones, se pueden determinar tres incógnitas.  Esto podría incluir tanto las temperaturas de salida como el coeficiente global de transferencia de calor, o tanto las temperaturas de salida como la tasa de transferencia de calor.  En algunos casos, la compleja expresión de la diferencia de temperatura logarítmica media conduce a la necesidad de una solución iterativa.

Cambio de fase

En algunas situaciones, el cambio de fase puede estar presente en un lado del intercambiador de calor.  En el caso de los fluidos, puede tratarse de una ebullición en el lado frío o de una condensación en el lado caliente.  En estos casos, los perfiles de temperatura tendrían este aspecto:

Condensation = condensación 

Boiling = hervir 

Temperatura 

Longitud (length) 

Los conceptos de flujo a contracorriente y flujo paralelo se vuelven discutibles cuando hay cambio de fase, y el balance energético para el lado que experimenta el cambio de fase se convierte en:

Q=m*hfg

Donde hfg es el calor de vaporización o el de condensación para el fluido que sufre el cambio de fase y m es el caudal másico al que el fluido se condensa o hierve.

Otras configuraciones de intercambiadores de calor, como los de flujo cruzado yintercambiadores de calor de carcasa y tubo con varios números de carcasas y varios números de pasadas de tubo en cada uno, se manejan comúnmente con correlaciones que proporcionan factores para modificar las ecuaciones básicas presentadas aquí.

Biografía

James Stevens es profesor del departamento de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de Colorado en Colorado Springs.  Abarca tanto situaciones estables como transitorias con aplicaciones a la historia térmica, la respuesta térmica, la refrigeración electrónica, los perfiles de temperatura, el diseño térmico, la determinación del flujo de calor, etc. También trabaja en termodinámica aplicada con aplicaciones para las energías renovables, la climatización, los motores de aire, los nuevos motores térmicos, etc. Tiene más de 30 años de experiencia en la enseñanza superior impartiendo clases de pregrado y postgrado. Realiza investigaciones, desarrolla cursos y planes de estudio y asesora a los estudiantes.