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ANÁLISIS DE LOS
INTERCAMBIADORES DE CALOR
Mg. Amancio R. Rojas Flores
En la práctica los intercambiadores de calor son de uso común y un
ingeniero se encuentra a menudo en la posición de:
ƒseleccionar un intercambiador de calor que logre un cambio de
temperatura específica de una corriente de fluido de gasto de masa
conocido.
ƒPredecir las temperaturas de salida de las corrientes de fluido
caliente y del frío en un intercambiador de calor específico.
Existen dos métodos usados en el análisis de los
intercambiadores de calor. De éstos, el de la diferencia media
logarítmica de temperatura (o LMTD) es él más apropiado para la
primera tarea y el método de la efectividad~NTU, para la
segunda.
Si se adoptan las siguientes consideraciones :
•Aparatos de flujo estacionario, como tales, el gasto de masa de cada fluido
permanece constante y las propiedades de los fluidos, como la temperatura
y la velocidad, en cualquier entrada o salida, siguen siendo las mismas.
•Los cambios en la energía cinética y en la potencial son despreciables
•En general, el calor específico de un fluido cambia con la temperatura,
pero, en un intervalo específico de temperaturas, se puede considerar como
una constante en algún valor promedio, con poca pérdida en la exactitud.
•La conducción axial de calor a lo largo del tubo suele ser insignificante y se
puede considerar despreciable.
•Se supone que la superficie exterior del intercambiador de calor está
perfectamente aislada, de modo que no se tiene pérdida de calor hacia el
medio circundante y cualquier transferencia de calor sólo ocurre entre los
dos fluidos.
Con estas suposiciones, la primera ley de la termodinámica requiere
que la velocidad de la transferencia de calor desde el fluido caliente
sea igual a la transferencia de calor hacia el frío; es decir:
•
Q
•
= mc C
pc
( T c , sal − T c , ent )
•
Q
•
= m h C ph ( T h , ent − T h , sal )
donde los subíndices c y h se refieren a los fluidos frío y caliente, respectivamente, y
•
•
mc,mh
= gastos de masa
C pc , C ph
= calores específicos
T c , sal − T h , sal
= temperaturas de salida
T c , ent − T h , ent
= temperaturas de entrada
En el análisis de los intercambiadores de calor a menudo resulta conveniente
combinar el producto del gasto de masa y el calor específico de un fluido en
una sola cantidad. Ésta se llama razón de capacidad calorífica y se
define para las corrientes de los fluidos caliente y frío como
•
•
Ch = mh C
ph
Cc = mc C
pc
•
Q
= C c ( T c , sal − T c , ent )
•
Q
= C h ( Th ,ent − Th , sal )
Es decir, la razón de la transferencia de calor en un intercambiador es
igual a la razón de capacidad calorífica de cualquiera de los dos fluidos
multiplicada por el cambio de temperatura en ese fluido.
la única ocasión en que la
elevación de la temperatura de
un fluido frío es igual a la caída
de temperatura del fluido
caliente es cuando las razones
de capacidad calorífica de los
dos fluidos son iguales
Dos tipos especiales de intercambiadores de calor de uso común en
la práctica son los condensadores y las calderas. En ellos uno de los
fluidos pasa por un proceso de cambio de fase y la razón de la
•
•
transferencia de calor se expresa como
= mh
Q
fg
donde
•
m
es la rapidez de la evaporación o de la condensación del fluido
hfg
es su entalpía de vaporización a la temperatura o presión especificadas.
Un fluido común absorbe o libera una gran cantidad de calor a
temperatura constante durante un proceso de cambio de fase
La razón de capacidad calorífica de un fluido durante un proceso de este tipo
debe tender al infinito puesto que el cambio en la temperatura es prácticamente
•
cero; es decir,
C = m c C p → ∞ cuandoΔT→0 ,
•
de modo que la razón de la transferencia de calor
Q
•
= mc C pΔT
es una cantidad finita.
Por lo tanto, en el análisis de los intercambiadores de calor un fluido en
condensación o en ebullición se considera de manera conveniente como
un fluido cuya razón de capacidad calorífica es infinita.
La razón de la transferencia de calor en un intercambiador también se
puede expresar de una manera análoga a la ley de Newton del
enfriamiento como
•
Q = UA s Δ T m
Donde
U
A
es el coeficiente total de transferencia de calor
es el área de transferencia del calor
Δ T m es una apropiada diferencia promedio de temperatura entre los dos fluidos
MÉTODO DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURA
MEDIA LOGARÍTMICA
La diferencia de temperatura entre los fluidos caliente y frío varía
a lo largo del intercambiador de calor y resulta conveniente tener
una diferencia de temperatura media ΔTm. para usarse en la
relación
•
Q
= UA s Δ T m
Con el fin de desarrollar una relación para la diferencia de
temperatura promedio equivalente entre los dos fluidos
considérese el intercambiador de calor de tubo doble y flujo
paralelo que se muestra en la figura
Nótese que la diferencia de
temperatura ΔT entre los fluidos
caliente y frío es grande en la
entrada del intercambiador, pero
disminuye en forma exponencial
hacia la salida.
Si se supone que la superficie exterior del intercambiador está bien
aislada, de modo que cualquier transferencia de calor ocurre entre
los dos fluidos y se descartan cualesquiera cambios en la energía
potencial y cinética, un balance de energía en cada fluido, en una
sección diferencial del intercambiador, se puede expresar como
•
•
δ Q = − m h C ph dT h
•
…(16)
•
δ Q = − m c C pc dT c
…(17)
Es decir, la razón de la pérdida de calor desde el fluido caliente, en
cualquier sección del intercambiador, es igual a la razón de la ganancia de
calor por el fluido frío en esa sección.
El cambio en la temperatura del fluido caliente es una cantidad
negativa y, por consiguiente, se añade un signo negativo a la
ecuación 16 para hacer que la razón de la transferencia de calor Q
sea una cantidad positiva.
Si se despejan de las ecuaciones antes dadas dTh , y dTc, da
•
dT h = −
δ Q
•
•
dT c = −
…(18)
m h C ph
δ Q
…(19)
•
m c C pc
Al restar la segunda de la primera se obtiene
dT h − dT c
⎛
1
1
⎜
= d (T h − T c ) = − δ Q ⎜ •
+ •
⎜m C
m c C pc
⎝ h ph
•
⎞
⎟
⎟
⎟
⎠
…(20)
La razón de la transferencia de calor en la sección diferencial del
intercambiador también se puede expresar como
•
δ Q = U (T h − T c ) dA s
Al sustituir esta ecuación en la (20) y reacomodar los términos da
d (T h − T c )
= − UdA
Th − Tc
s
⎛
1
1
⎜
+
•
⎜ •
⎜m C
m c C pc
⎝ h ph
⎞
⎟
⎟
⎟
⎠
Al hacer la integración desde la entrada del intercambiador hasta su salida,
se obtiene
⎛
⎞
T h , sal − T c , sal
1
1
⎜
⎟ …(23)
= − UA s ⎜ •
+ •
ln
⎟
T h , ent − T c , ent
⎜m C
m c C pc ⎟⎠
⎝ h ph
•
Por último, se despejan de las ecuaciones (19) y (20)
•
mh C
ph
y
mc C
se sustituyen en la ecuación (23) que después de un poco de reacomodo
produce
•
Q
en donde
Δ T ml
= UA s Δ T ml
Δ T1 − Δ T 2
=
ln (Δ T 1 / Δ T 2 )
…(25)
es la diferencia de temperatura media logarítmica
que es la forma apropiada de la diferencia de temperatura promedio que
debe usarse en el análisis de los intercambiadores de calor.
pc
En este caso, ΔT1, y ΔT2 representan la diferencia de temperatura entre los dos
fluidos en ambos extremos (de entrada y de salida) del intercambiador. No
existe diferencia con respecto a cuál de los extremos de éste se designe como
la entrada o la salida,
Fig.15 Expresiones de ΔT1 y ΔT2 en los intercambiadores de flujo paralelo y a contraflujo
INTERCAMBIADORES DE CALOR A CONTRAFLUJO
En la figura se da la variación de las
temperaturas de los fluidos caliente y
frío en un intercambiador de calor a
contraflujo.
Nótese que los fluidos caliente y frío
entran en el intercambiador por los
extremos opuestos y, en este caso, la
temperatura de salida del fluido frío es
posible que sobrepase la de salida del
fluido caliente.
La relación antes dada para la diferencia de temperatura media logarítmica
se desarrolla usando un intercambiador de flujo paralelo, pero si se repite el
análisis antes dado para uno a contraflujo, se puede demostrar que también
es aplicable a los intercambiadores a contraflujo; aunque, en esta ocasión,
ΔT1, y ΔT2 se expresen como se muestra en la figura (15).
Para temperaturas de entrada y de salida específicas, la diferencia de
temperatura media logarítmica para un intercambiador a contraflujo
siempre es mayor que la correspondiente a uno de flujo paralelo.
Es decir, ΔTml, CF >ΔTml, FP , y, por ende, se necesita un área superficial
más pequeña (y, por consiguiente, un intercambiador más pequeño) para
lograr una razón específica de la transferencia de calor en un
intercambiador de este tipo.
Por lo tanto, en los intercambiadores de calor es una práctica común usar
disposiciones a contraflujo.
En un intercambiador a contraflujo la diferencia de temperatura entre los
fluidos caliente y frío permanecerá constante a lo largo del mismo cuando
las razones de capacidad calorífica de los dos fluidos sean iguales (es
•
•
decir, ΔT = constante cuando Ch = Cc , o bien,
m h C ph = m c C pc
Entonces, se tiene ΔT1 = ΔT2, y la última relación para la diferencia de
temperatura media logarítmica da ΔTml = 0/0 la cual es una forma
indeterminada. Mediante la aplicación de la regla de I'Hospital, se puede
demostrar que, en este caso, se tiene ΔTml =ΔT1 = ΔT2, como era de
esperarse.
Se puede considerar que un condensador o una caldera son
intercambiadores de calor de flujo paralelo o a contraflujo, ya que los dos
enfoques conducen al mismo resultado.
INTERCAMBIADORES DE CALOR
DE PASOS MÚLTIPLES Y DE FLUJO CRUZADO:
USO DE UN FACTOR DE CORRECCIÓN
La relación para la diferencia de temperatura media logarítmica ΔTml
desarrollada con anterioridad sólo se limita a los intercambiadores
de flujo paralelo o a contraflujo.
También se desarrollan relaciones similares para los
intercambiadores de flujo cruzado y de tubos y coraza de pasos
múltiples, pero las expresiones resultantes son demasiado
complicadas debido a las complejas condiciones de flujo.
En esos casos resulta conveniente relacionar la diferencia
equivalente de temperatura con la relación de la diferencia media
logarítmica para el caso de contraflujo, como
Δ T ml = F Δ T ml ,CF
en donde F es el factor de corrección, el cual depende de la
configuración geométrica del intercambiador y de las temperaturas
de entrada y de salida de las corrientes de fluido caliente y frío.
ΔTml,CF es la diferencia media logarítmica de temperatura para el
caso del intercambiador a contraflujo, con las mismas temperaturas
de entrada y de salida, y se determina con base en la ecuación
(25), tomando Δ T = T
ΔT = T
−T
−T
1
h , ent
h , sal
y
2
h , sal
h , sent
Para un intercambiador de flujo cruzado y uno de casco y tubos
de pasos múltiples, el factor de corrección es menor que la
unidad; es decir, F≤ 1.
El valor límite de F = 1 corresponde al intercambiador a
contraflujo.
Por tanto, el factor de corrección F para un intercambiador de
calor es una medida de la desviación de la ΔTml con respecto a
los valores correspondientes para el caso de contraflujo
En la figura (18) se da el factor de corrección F para las configuraciones
comunes de los intercambiadores de flujo cruzado y de casco y tubos en
función de las razones P y R entre dos temperaturas, definidas como
P =
t 2 − t1
T 1 − t1
R =
T1 − T 2
t 2 − t1
⎛ m• cp ⎞ lado del tubo
⎜
⎟
⎝
⎠
=
⎛ •
⎞
⎜ m cp ⎟ lado de la coraza
⎠
⎝
en donde los subíndices 1 y 2 se refieren a la entrada y la salida,
respectivamente.
Nótese que para un intercambiador de tubos y coraza, T y t representan las
temperaturas del lado de la coraza y del lado del tubo, respectivamente,
como se muestra en los diagramas del factor de corrección.
No existe diferencia en que el fluido caliente o el frío fluyan por la coraza o
el tubo.
La determinación del factor de corrección F requiere que se disponga de
las temperaturas de entrada y de salida, tanto para el fluido frío como para
el caliente.
Conclusión
El método de la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) por
sus siglas en ingles) discutido es fácil de aplicar en el análisis de los
intercambiadores de calor cuando se conocen, o se pueden determinar,
las temperaturas a la entrada y a la salida de los fluidos caliente y frío a
partir de un balance de energía.
Una vez que se dispone de la ΔTml, los gastos de masa y el coeficiente de
transferencia de calor total se puede determinar el área superficial de
transferencia de calor a partir de
•
Q
= UA s Δ T ml
Por lo tanto, el método de la LMTD resulta muy adecuado para la
determinación del tamaño de un intercambiador de calor con el fin de dar
lugar a las temperaturas prescritas de salida cuando se especifican los
gastos de masa y las temperaturas de entrada y de salida de los fluidos
caliente y frío.
Con el método de la LMTD, la tarea es seleccionar un intercambiador que
satisfaga los requisitos prescritos de transferencia de calor. El método que
debe seguirse en el proceso de selección es:
1. Seleccionar el tipo de intercambiador de calor apropiado para la aplicación.
2. Determinar cualquier temperatura desconocida de entrada o de salida y
la razón de la transferencia de calor mediante un balance de energía.
3. Calcular la diferencia de temperatura media logarítmica ΔTml y el factor de
corrección F si es necesario.
4. Obtener (seleccionar o calcular) el valor del coeficiente de transferencia
de calor total U.
5. Calcular el área superficial As de transferencia de calor.
La tarea se completa al seleccionar un intercambiador de calor que tenga
un área superficial de transferencia de calor igual a As o mayor que ésta.
METODO DE LA EFECTIVIDAD-NTU
Una segunda clase de problema que se encuentra en el análisis de los
intercambiadores de calor es la determinación de la razón de la
transferencia de calor y las temperaturas de salida de los fluidos caliente
y frío para valores prescritos de gastos de masa y temperaturas de
entrada de los fluidos, cuando se especifican el tipo y el tamaño del
intercambiador.
En este caso se conoce el área superficial para la transferencia de calor
del intercambiador, pero se ignoran las temperaturas de salida; la tarea
es determinar el rendimiento con respecto a la transferencia de calor de
un intercambiador específico, o bien, determinar si un intercambiador del
que se dispone en el almacén realizará el trabajo.
Todavía se podría aplicar el método de la LMTD para este problema
alternativo, pero el procedimiento requeriría tediosas iteraciones y, como
consecuencia, no sería práctico.
En un intento por eliminar las iteraciones de la resolución de esos
problemas, Kays y London presentaron en 1955 un procedimiento
llamado método de la efectividad-NTU, el cual simplificó mucho el
análisis de los intercambiadores de calor.
Este método se basa en un parámetro adimensional llamado
efectividad de la transferencia de calor ε definido como
•
ε =
Q
Razón de la transferen cia de calor real
=
Q máx
Razón máxima posible de la transferen cia de calor
…(29)
La razón de la transferencia de calor real de un intercambiador de
calor se puede determinar con base en un balance de energía en los
fluidos caliente y frío y se puede expresar como
•
Q
= C c (T c , sal − T c , ent
•
donde C c = m c c pc
)=
C h (T h , ent − T h , sal
)
…(30)
•
y
C h = m c c ph
son las razones de capacidad calorífica de los fluidos frío y caliente,
respectivamente.
Para determinar la razón máxima posible de la transferencia de calor de
un Intercambiador, en primer lugar se reconoce que la diferencia de
temperatura máxima que se produce en él es la diferencia entre las
temperaturas de entrada de los fluidos caliente y frío; es decir
Δ T máx = T h , ent − T c , ent
La transferencia de calor en un intercambiador alcanzará su valor
máximo cuando
o El fluido frío se caliente hasta la temperatura de entrada del caliente
o El fluido caliente se enfríe hasta la temperatura de entrada del frío.
Estas dos condiciones límites no se alcanzarán en forma simultánea a menos
que las razones de capacidad calorífica de los fluidos caliente y frío sean
idénticas
(es decir, Cc = Ch). Cuando Cc ≠ Ch, el cual suele ser el caso, el fluido con
la razón de capacidad calorífica menor experimentará un cambio más
grande en la temperatura y, de este modo, será el primero en experimentar
la diferencia máxima de temperatura, en cuyo punto se suspenderá la
transferencia de calor.
Por lo tanto la razón máxima posible de transferencia de calor en un
intercambiador es
•
Q = C mín (T h ,ent − T c ,ent )
máx
en donde Cmín es el menor entre Ch, y Cc.
La determinación de Qmáx requiere que se disponga de la temperatura de
entrada de los fluidos caliente y frio y de sus gastos de masa, los cuales
suelen especificarse.
Entonces, una vez que se conocen la efectividad del intercambiador de
calor, se puede determinar la razón de la transferencia de calor real Q a
partir de.
•
Q = ε
•
Q
máx
= ε C mín (T h , ent − T c , ent
)
…(33)
Por lo tanto, la efectividad de un intercambiador de calor permite
determinar la razón de la transferencia de calor sin conocer las
temperaturas de salida de los fluidos.
La efectividad de un intercambiador de calor depende de su configuración
geométrica así como de la configuración del flujo.
Por lo tanto, los diferentes tipos de intercambiadores tienen relaciones
diferentes para la efectividad.
A continuación se ilustra el desarrollo de la relación de la efectividad ε para
un intercambiador de tubo doble y flujo paralelo.
La ecuación (23), desarrollada para un intercambiador de flujo paralelo, se
puede reacomodar para quedar
ln
T h , sal − T c , sal
UA s
= −
T h , ent − T c , ent
Cc
⎛
C ⎞
⎜⎜ 1 + c ⎟⎟
Ch ⎠
⎝
…(34)
Asimismo, si se despeja Th,sal de la ecuación (30) da
T h , sal = T h , ent −
Cc
(T c , sal − T c ,ent
Ch
)
Al sustituir esta relación en la ecuación (34) después de sumar y restar Tc,ent da
T h , ent − T c , ent + T c , ent − T c , sal −
ln
T h , ent − T c , ent
Cc
(T c , sal − T c ,ent
Ch
)
= −
UA s
Cc
⎛
C ⎞
⎜⎜ 1 + c ⎟⎟
Ch ⎠
⎝
…(36)
la cual se simplifica a
⎡
ln ⎢1 −
⎣
⎛
C c ⎞ (T c , sal − T c , ent )⎤
UA s
⎜⎜ 1 +
⎟⎟
=
−
⎥
−
C
T
T
Cc
h ⎠
h , ent
c , ent ⎦
⎝
⎛
C ⎞
⎜⎜ 1 + c ⎟⎟
Ch ⎠
⎝
Ahora se manipula la definición de efectividad para obtener
•
ε =
Q
•
Q máx
C c (T c , sal − T c , ent )
=
C mín ( T h , ent − T c , ent )
T c , sal − T c , ent
C
= ε mín
T h , ent − T c , ent
Cc
→
Si se sustituye este resultado en la ecuación (36) y se despeja se obtiene la
siguiente relación para la efectividad de un intercambiador de calor de flujo
paralelo:
ε
flujo paralelo
⎡
1 − exp ⎢ −
⎣
=
⎛
⎜⎜ 1 +
⎝
UA s
Cc
Cc
Ch
⎞
⎟⎟
⎠
⎛
C ⎞⎤
⎜⎜ 1 + c ⎟⎟ ⎥
C h ⎠⎦
⎝
C mín
Cc
…(37)
Al tomar Cc o Ch para que sea Cmín (los dos procedimientos conducen al
mismo resultado), la relación que acaba de obtenerse se puede expresar de
manera más conveniente como
ε
⎡ UA s ⎛
C mín
⎜
1 − exp ⎢ −
⎜1 + C
C
mín ⎝
máx
⎣
=
C mín
1+
Cc
flujo paralelo
⎞⎤
⎟⎟ ⎥
⎠⎦
Una vez más Cmin es la razón de capacidad calorífica menor y Cmáx, es la
mayor, y no existe diferencia en si Cmín pertenece al fluido caliente o al frío.
Por lo común las relaciones de la efectividad de los intercambiadores de calor
incluyen el grupo adimensional UAs /Cmín. Esta cantidad se llama número de
unidades de transferencia, NTU (por sus siglas en inglés), y se expresa
como
UA
UA
NTU
=
s
C mín
=
s
⎛ m• c ⎞ mín
⎜
p ⎟
⎝
⎠
en donde U es el coeficiente de transferencia de calor total y As es el área
superficial de transferencia del intercambiador.
Nótese que el NTU es proporcional a As Por lo tanto, para valores
específicos de U Y Cmin, el valor del NTU es una medida del área superficial
de transferencia de calor, As Por ende, entre mayor sea el NTU, más grande
es el intercambiador de calor.
En el análisis de los intercambiadores de calor también resulta conveniente
definir otra cantidad adimensional llamada relación de capacidades c como
c =
C mín
C máx
Se puede demostrar que la efectividad de un intercambiador de calor es
una función del número de unidades de transferencia NTU y de la relación
de capacidades c; es decir,
ε = función (UAs /Cmín , Cmín /Cmáx) = función (NTU, c)
Se han desarrollado relaciones de la efectividad para un gran número de
intercambiadores, también se tienen las gráficas de las efectividades de
algunos tipos comunes de intercambiadores
Observaciones con base en las relaciones y diagramas de la efectividad:
1.El valor de la efectividad varía desde 0 hasta 1 Aumenta con rapidez
para los valores pequeños de NTU (hasta alrededor de NTU = 1.5),pero
más bien con lentitud para valores más grandes.
No es posible justificar económicamente el uso de un intercambiador de
calor con un NTU grande (por lo común mayor que 3) y, por
consiguiente, un tamaño también grande, ya que un gran incremento en
el NTU corresponde a un incremento pequeño en la efectividad.
Por tanto, desde el punto de vista de la transferencia de calor puede ser
muy deseable contar un intercambiador con una efectividad elevada
pero resulta más bien indeseable desde el punto de vista económico.
2.Para un NTU y una relación de capacidades c = Cmín /Cmáx dados, el
intercambiador a contraflujo tiene la efectividad más elevada, seguido muy
de cerca por los de flujo cruzado con los dos fluidos en flujo no mezclado.
Como se podría esperar, los valores más bajos de la efectividad se
encuentran en los intercambiadores de flujo paralelo
3.La efectividad de un intercambiador de calor es independiente de la
relación de capacidades c para valores de NTU menores que 0.3.
4.El valor de la relación de capacidades c va desde 0 hasta 1. Para un
NTU dado, la efectividad se convierte en un máximo para c = 0 y en un
mínimo, para c = 1.
El caso c = Cmín /Cmáx →0 corresponde a Cmáx →∞ lo cual se logra
durante un proceso de cambio de fase en un condensador o una caldera.
En este caso todas las relaciones de la efectividad se reducen a
ε = ε máx = 1 − exp (− NTU
)
sin importar el tipo del intercambiador (figura 28). Nótese que, en este caso,
la temperatura del fluido en condensación o en ebullición permanece
constante. En el otro caso límite de c = Cmín /Cmáx = 1, el cual se logra
cuando las relaciones de las capacidades caloríficas de los dos fluidos son
iguales, la efectividad es la más baja.
Una vez que se han evaluado las cantidades c = Cmín /Cmáx y NTU = UAs
/Cmín, se puede determinar la efectividad a basándose en cualquiera de los
diagramas o en la relación de la efectividad para el tipo específico de
intercambiador.
Entonces, a partir de las ecuaciones (33) y (30), respectivamente, se
pueden determinar la razón de la transferencia de calor, Q, y las
temperaturas de salida, Th,sal y Tc,sal.
Nótese que el análisis de los intercambiadores de calor con temperaturas
desconocidas a la salida es un procedimiento directo con el método de la
efectividad-NTU pero con el método de la LMTD se requieren iteraciones
un tanto tediosas.
SELECCIÓN DE LOS NTERCAMBIADORES DE CALOR
Los intercambiadores de calor son aparatos complicados y los resultados
que se obtuvieron con los procedimientos simplificados que se presentaron
en los párrafos anteriores deben usarse con cuidado.
Por ejemplo, se supuso que el coeficiente de transferencia de calor total U
es constante a lo largo de todo el intercambiador y que los coeficientes de
transferencia de calor por convección se pueden predecir aplicando las
correlaciones de esta última.
Sin embargo, debe tenerse presente que la incertidumbre en el valor
predicho de U puede incluso sobrepasar 30%. Por tanto, resulta natural
diseñar los intercambiadores en exceso para evitar sorpresas
desagradables.
La mejora en la transferencia de calor en los intercambiadores suele venir
acompañada de un aumento en la caída de presión y, como consecuencia,
de una potencia más alta de bombeo.
Por lo tanto, cualquier ganancia proveniente de la mejora en la transferencia
de calor debe contrapesarse con el costo de la caída de presión que la
acompaña.
Asimismo, debe pensarse en cuál de los fluidos debe pasar por el lado de
los tubos y cuál por el lado de la coraza.
Por lo común el fluido más viscoso es el más apropiado para el lado de la
coraza (un área más grande de paso y, como consecuencia, menor caída
de presión) y el fluido con la presión más elevada por el lado de los tubos.
Los ingenieros en la industria a menudo se encuentran en una posición en
la que tienen que seleccionar los intercambiadores para realizar ciertas
tareas de transferencia de calor.
En general, el objetivo es calentar o enfriar cierto fluido con un gasto de
masa y una temperatura conocidos hasta una temperatura deseada.
Por tanto, la razón de la transferencia de calor del intercambiador en
proyecto es lo cual determina el requisito de transferencia de calor antes
de tener una idea del propio intercambiador.
Un ingeniero que revisa los catálogos de los fabricantes de intercambiadores
quedará abrumado por el tipo y número disponible de éstos. La selección
apropiada depende de varios factores.
Razón de transferencia del calor
Es la cantidad más importante en la selección de un intercambiador. Un
intercambiador debe ser capaz de transferir el calor a una razón específica
para lograr el cambio deseado en la temperatura del fluido con el gasto de
masa determinado.
Costo
Las limitaciones en el presupuesto suelen desempeñar un papel importante
en la selección de los intercambiadores, excepto en algunos casos
especiales en donde "el dinero no es lo más importante". Un intercambiador
que existe en catálogo tiene una ventaja definida en el costo sobre los que se
mandan a hacer sobre pedido.
Potencia para el bombeo
En un intercambiador los dos fluidos suelen forzarse para que fluyan por
medio de bombas o ventiladores que consumen energía eléctrica.
El costo anual de la electricidad asociada con la operación de las bombas
y ventiladores se puede determinar a partir de
Costo de operación = (Potencia de bombeo, kW) X (Horas de
operación, h) X (Precio de la electricidad, dólares/kWh)
en donde la potencia de bombeo es la potencia eléctrica total consumida por los
motores de las bombas y los ventiladores.
Por lo común, las velocidades de los fluidos que se encuentran en los
intercambiadores varían entre 0.7 y 7 m/s para los líquidos y entre 3 y 30
m/s para los gases.
Las velocidades bajas son útiles para evitar la erosión, las vibraciones de
los tubos y el ruido, así como la caída de presión.
Tamaño y peso
Normalmente, entre más pequeño y más ligero es el intercambiador, mejor es.
Tipo
El tipo de intercambiador que se debe seleccionar depende principalmente
del tipo de fluidos que intervienen, de las limitaciones de tamaño y peso y de
la presencia de cualesquiera procesos de cambio de fase.
Materiales
Los materiales que se usen en la construcción del intercambiador pueden
constituir una consideración importante en la selección de los
intercambiadores.
Por ejemplo, no es necesario considerar los efectos de los esfuerzos
térmicos y estructurales a presiones por debajo de 15 atm o temperaturas
inferiores a 150'C. Pero estos efectos constituyen consideraciones
importantes por arriba de 70 atm y 550'C y limitan mucho los materiales
aceptables para el intercambiador.