6. INTERCAMBIADORES DE CALOR

6.
INTERCAMBIADORES DE CALOR
En el presente proyecto es necesario el empleo de intercambiadores de calor, ya que
dichos equipos son empleados para introducir y extraer calor del fluido del circuito de
intercambio de calor con la finalidad de satisfacer las demandas térmicas del sistema.
Dentro de la amplia variedad de intercambiadores de calor existentes, vamos a escoger
para nuestra instalación los de carcasa y tubo. Los motivos de dicha elección son que este tipo
de intercambiadores son compatibles para un amplio rango de tamaños, presiones y
temperaturas, por lo que son compatibles con cualquier aplicación; presentan facilidad para el
mantenimiento y reparación; y además, poseen altas eficiencias máximas (≈ 0,9).
Para definir la eficiencia de un intercambiador de calor, debemos determinar primero la
transferencia de calor máxima posible para dicho intercambiador.
࡯ࢌ < ࡯ࢉ → ࡽ࢓ࢇ࢞ = ࡯ࢌ ∙ ൫ࢀࢉ ࢋ࢔࢚ − ࢀࢌ ࢋ࢔࢚ ൯ Ecuación 9.
࡯ࢉ < ࡯ࢌ → ࡽ࢓ࢇ࢞ = ࡯ࢉ ∙ ൫ࢀࢉ ࢋ࢔࢚ − ࢀࢌ ࢋ࢔࢚ ൯ Ecuación 10.
, donde:
-
Cf = capacidad calorífica del fluido frío (mf·Cp f).
Cc = capacidad calorífica del fluido frío (mc·Cp c).
Tc ent = temperatura de entrada al intercambiador de calor del fluido caliente.
Tf ent = temperatura de entrada al intercambiador de calor del fluido frío.
Por lo que podemos decir que la transferencia de calor máxima responde a la siguiente
expresión general:
ࡽ࢓ࢇ࢞ = ࡯࢓࢏࢔ ∙ ൫ࢀࢉ ࢋ࢔࢚ − ࢀࢌ ࢋ࢔࢚ ൯ Ecuación 11.
, donde:
-
Qmax = transferencia de calor máxima posible del intercambiador.
Cmin = mínimo de Cf y Cc.
Ahora podemos definir la eficiencia del intercambiador como la relación entre la
transferencia real de calor y la transferencia de calor máxima posible.
ࢿ=
࡯ࢌ < ࡯ࢉ → ࢿ =
࡯ࢉ < ࡯ࢌ → ࢿ =
ࡽ࢘ࢋࢇ࢒
ࡽ࢓ࢇ࢞
Ecuación 12.
࡯࢓࢏࢔ ∙൫ࢀࢉ ࢋ࢔࢚ ିࢀࢌ ࢋ࢔࢚ ൯
࡯ࢉ ∙ሺࢀࢉ ࢋ࢔࢚ ିࢀࢉ ࢙ࢇ࢒ ሻ
Ecuación 13.
࡯࢓࢏࢔ ∙൫ࢀࢉ ࢋ࢔࢚ ିࢀࢌ ࢋ࢔࢚ ൯
࡯ࢌ ∙൫ࢀࢌ ࢙ࢇ࢒ ିࢀࢌ ࢋ࢔࢚ ൯
Ecuación 14.
, donde:
-
Qreal = transferencia real de calor.
Tc sal = temperatura de salida al intercambiador de calor del fluido caliente.
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-
Tf sal = temperatura de salida al intercambiador de calor del fluido frío.
Para cualquier intercambiador de calor se cumple la siguiente relación de funcionalidad:
ࢿ = ࢌ ቀࡺࢁࢀ,
࡯࢓࢏࢔
࡯࢓ࢇ࢞
ቁ Ecuación 15.
, donde:
-
NUT = número de unidades de transferencia.
Cmax = máximo de Cf y Cc.
En nuestro caso, intercambiadores de carcasa y tubo, dicha relación es la siguiente:
ࢿ = ૛ ቐ૚ + ࡯࢘ + ሺ૚ +
૚
࡯૛࢘ ሻ ൗ૛
∙
૚
ൗ૛
૚ାࢋ࢞࢖ቈିࡺࢁࢀ൫૚ା࡯૛
቉
࢘൯
૚
ି૚
ቑ
ൗ૛
૚ିࢋ࢞࢖ቈିࡺࢁࢀ൫૚ା࡯૛
቉
࢘൯
Ecuación 16.
, donde: Cr = Cmin/Cmax.
El número de unidades de transferencia (NUT) es un parámetro adimensional que se usa
ampliamente para el análisis de los intercambiadores de calor y se define como:
ࡺࢁࢀ =
ࢁ∙࡭
࡯࢓࢏࢔
Ecuación 17.
, donde:
-
U = coeficiente global de transferencia del intercambiador.
A = área de intercambio de calor del intercambiador.
Con la finalidad de aumentar el rendimiento energético de la instalación vamos a realizar
un diseño de la misma suponiendo que la eficiencia de los intercambiadores sea constante y lo
más alta posible, que para el caso de los intercambiadores de carcasa y tubo es
aproximadamente 0,9.
Por lo tanto, una vez fijada la eficiencia y dada la relación de funcionalidad de la ecuación
16, queda determinado para cada intercambiador el NUT y, por consiguiente, el área de
intercambio A (supuestos conocidos para cada intercambiador: Cmin, Cmax y U).
Sin embargo, la obtención con exactitud de dicha área requeriría un análisis complejo y
detallado para cada intercambiador, además de que su valor final sería variable en función del
tipo de generador de energía empleado o del tipo de funcionamiento del sistema. Dado que el
diseño de los mismos no es objeto del presente proyecto, la obtención con exactitud de las
áreas de intercambio sólo repercutiría en el coste final de dichos intercambiadores. No
obstante, dado que este coste representa una mínima parte del coste global de inversión y
que, por lo tanto, podemos realizar una estimación del mismo sin incurrir en un error
demasiado grave, vamos a obviar el cálculo de dichas áreas.
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