TRANSFERENCIA DE CALOR CON CAMBIO DE FASES

...

Por el contrario, para conjunto de tubos sin aletas, es posible el movimiento del fluido en la dirección transversal, que en consecuencia es mezclado, y las variaciones de temperatura se producen, en principio, en la dirección del flujo principal. En el intercambiador con aletas dado que el flujo no es mezclado, ambos fluidos están sin mezclar mientras que el intercambiador sin aletas un fluido está mezclado y el otro está sin mezclar.

Otra configuración es el intercambiador de calor de tubos y coraza. Las formas específicas difieren de acuerdo con el número de pasos de tubos. Normalmente se instalan deflectores para aumentar el coeficiente de convección del fluido del lado de la coraza al inducir turbulencia y una componente de velocidad de flujo cruzado.

Una clase especial e importante de intercambiadores de calor se usa para conseguir un área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen muy grande (≥700). Denominados intercambiadores de calor compactos, estos dispositivos tienen arreglos de tubos con aletas o placas y se usan normalmente cuando al menos uno de los fluidos es un gas, y en consecuencia se caracteriza por un coeficiente de convección pequeño. Los tubos pueden ser planos o circulares, respectivamente, y las aletas pueden ser de placa o circular. Los intercambiadores de calor de placas paralelas pueden ser con aletas o corrugadas y se pueden usar en modos de operación de un solo paso o multipaso. Los pasos de flujo asociados con intercambiadores de calor compactos normalmente son pequeños , y el flujo es por lo general laminar.[pic 18][pic 19]

Coeficiente Global de Transferencia de Calor

Una parte esencial, y a menudo la más incierta, de cualquier análisis de intercambiador de calor es la determinación del coeficiente global de transferencia de calor. Este coeficiente se define en términos de la resistencia térmica total para la transferencia de calor entre dos fluidos. El coeficiente de calor se determinó al tener en cuenta las resistencias de conducción y convección entre fluidos separados por paredes planas y cilíndricas compuestas, respectivamente. Es importante reconocer, sin embargo, que tales resultados se aplican solo a superficies limpias sin aletas.

Durante la operación normal de un intercambiador de calor, a menudo las superficies están sujetas a la obstrucción por impurezas, formación de moho, u otras reacciones entre el fluido y el material de la pared. La siguiente deposición de una película o incrustaciones sobre la superficie puede aumentar mucho la resistencia a la transferencia de calor entre los fluidos. Este efecto puede aumentar mucho la resistencia de calor entre los fluidos. El mismo, se puede tratar mediante la introducción de una resistencia térmica adicional, denominada factor de impureza . Su valor depende de la temperatura de operación, velocidad del fluido y tiempo de servicio del intercambiador de calor. [pic 20]

Además, se sabe que las aletas a menudo se agregan a superficies expuestas a alguno o ambos fluidos y que, al aumentar el área superficial, reducen la resistencia a la transferencia de calor por convección. En consecuencia, con la inclusión de impurezas en la superficie y los efectos de aletas (superficie extendida), el coeficiente global de transferencia de calor se puede expresar como:

[pic 21]

[pic 22]

Donde c y h se refieren a los fluidos frío y caliente, respectivamente. Advierta que el cálculo del producto UA no requiere la designación del lado caliente o frío. Sin embargo, el cálculo de un coeficiente global depende de si se basa en el área de la superficie del lado frío o caliente.

El termino conducción en la pared a menudo se puede ignorar, pues por lo general se usa una pared delgada de conductividad térmica grande. También, con frecuencia uno de los coeficientes de convección es mucho menor que el otro y por ello domina la determinación del coeficiente global. Por ejemplo: si uno de los fluidos es gas y el otro es liquido o una mezcla liquido-vapor que experimenta ebullición o condensación, el coeficiente de convección del lado del gas es mucho más pequeño. En tales situaciones se utilizan aletas para aumentar la convección del lado del gas.

El coeficiente global de transferencia de calor se puede determinar a partir del conocimiento de los coeficientes de convección de los fluidos caliente y frío, de los factores de impureza y de los parámetros geométricos apropiados.

Intercambiadores de Calor a Contracorriente

Aquí los dos fluidos se mueven en sentidos opuestos, lo que permite que el sistema pueda mantener un gradiente casi constante entre ellos a lo largo de la ruta de movimiento. A medida que la ruta de flujo sea más larga y que la velocidad del movimiento de los fluidos sea más lenta, la tasa de transferencia será mayor, sin embargo esto se debe a que los dos fluidos son "iguales" en algún sentido. En el caso de transferencia de calor, el producto del calor específico (el promedio en el rango de temperatura involucrado) y el flujo de masa, también deben ser iguales. Si los dos fluidos no son los mismos, por ejemplo si el calor está siendo transferido del agua al aire o vice-versa, entonces la conservación de la masa o energía requiere que las corrientes vayan con concentraciones o temperaturas diferentes.

En un intercambiador de calor de flujo a contracorriente, los dos medios fluyen en direcciones opuestas. El vapor caliente ingresa por el lado izquierdo, y el agua caliente sale por ese mismo lado, mientras que el vapor enfriado sale por el lado derecho y el agua fría ingresa por la derecha también.

Intercambiadores de Calor de Flujo Paralelo

Es importante señalar que, para los intercambiadores de calor en flujo paralelo, la temperatura de salida del fluido frío nunca excede la del fluido caliente. Para un flujo paralelo se sigue que: [pic 23]

La forma se puede determinar mediante la aplicación de un balance de energía para elementos diferenciales en los fluidos caliente y frío. Los balances de energía y el análisis subsecuente están sujetos a las siguientes suposiciones:[pic 24]

- El intercambiador de calor está aislado de sus alrededores, en cuyo caso el único intercambio de calor es entre los fluidos caliente y frío.

- La conducción axial a lo largo de los tubos es insignificante

- Los cambios de energía potencial y cinética son despreciables.