INTERCAMBIADORES DE CALOR En los grandes procesos industriales no es raro que sea necesario transferir cantidades relativamente grandes de energía térmica entre el sistema y el medio ambiente o entre distintas partes de un sistema dado. Se llama intercambiador de calor al dispositivo cuyo propósito principal es transferir el calor entre dos fluidos Posiblemente una de las aplicaciones más comunes de la transferencia de calor se encuentra en el diseño y selección de los intercambiadores de calor. Aun cuando los problemas que intervienen en el diseño de un intercambiador de calor son múltiples y de carácter diverso; la metodología para predecir el comportamiento térmico es relativamente sencilla. Dentro de los múltiples aspectos que se deben considerar en el diseño de un intercambiador de calor cabe enumerar los siguientes: 1. Esfuerzos mecánicos y dilataciones térmicas en las tuberías. 2. Problemas de corrosión. 3. Deposito de sólidos en las líneas de flujo. 4. Caídas de presión. 5. Peso y tamaño del intercambiador. 6. El costo. Este ultimo factor juega eventualmente un papel sumamente importante en el diseño o selección de un intercambiador de calor y debe mantenerse siempre en mente. Normalmente se emplean 3 categorías para clasificar los intercambiadores de calor: a) Regeneradores b) Intercambiadores c) Intercambiadores de tipo cerrado o recuperadores Los regeneradores son intercambiadores de calor en donde un fluido caliente fluye a través del mismo espacio seguido de un fluido frío en forma alternada. Con tan poca mezcla física como sea posible entre las dos corrientes. La superficie, que alternativamente recibe y luego libera la energía térmica, es muy importante en este dispositivo. Las propiedades del material superficial, junto con las propiedades del flujo y del fluido de las corrientes fluidas, y con la geometría del sistema, son cantidades que se deben de conocer para analizar o diseñar los regeneradores. Intercambiadores de tipo abierto Como su nombre lo indica los intercambiadores de calor de tipo abierto son dispositivos en las que las corrientes de fluidos de entrada fluyen hacia una cámara abierta, y ocurre una mezcla física completa de las dos corrientes. Las corrientes caliente y fría que entran por separado a este intercambiador salen mezcladas en una sola. El análisis de los intercambiadores de tipo abierto involucran la ley de la conservación de la masa y la primera ley de la termodinámica; no se necesitan ecuaciones para de relación para el análisis o el diseño de este tipo de intercambiador. Intercambiadores de tipo cerrado Son aquellos en los cuales ocurre transferencia de calor entre dos corrientes fluidas que no se mezclan o que no tienen contacto entre si. Las corrientes de fluido que están involucradas en esa forma están separadas entre si por una pared de tubo, o cualquier otra superficie que pueda estar involucrada en el camino de la transferencia de calor. En consecuencia la transferencia de calor ocurre por la convección desde el fluido mas caliente a la superficie sólida, por conducción a través del sólido, y de ahí por convección de la superficie sólida al fluido más frío. CLASIFICACIÓN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR Se clasifica a un recuperador de acuerdo con su configuración. La información que lleva esta clasificación es: las direcciones de flujo relativo de las dos corrientes fluidas y el número de pasadas que hace cada fluido al recorrer el intercambiador. A las direcciones relativas de flujo de las corrientes de fluido se les llaman flujo de contrafujo o flujo paralelo cuando las corrientes fluyen en la misma dirección, y flujo cruzado si las corrientes de fluido fluyen perpendiculares entre sí. Es posible tener variaciones a la configuración de flujo cruzado con una u otra corriente de fluido mezclada. En la siguiente figura se muestra el caso en que ambos fluidos no están mezclados. Si se suprimen los tabiques mostrados en el caso de una corriente, quedaría no separada o mezclada. Cuando el caso de flujo cruzado es como se muestra en la figura, la corriente de fluido en una capa dada tiene una variación en la temperatura de uno a otro lado, ya que cada sección contiene una corriente de fluido adyacente a una temperatura distinta. Generalmente es deseable que una o las dos corrientes de fluido no estén mezcladas. El diseño de los intercambiadores de calor generalmente comienza con la determinación del área requerida para transferir el calor necesario entre las corrientes fluidas que entran a temperaturas especificadas con determinadas razones de flujo. Otras cantidades de interés son las temperaturas de salida de las dos corrientes. Se han desarrollado distintas configuraciones de intercambiadores de calor para incorporar el área requerida de transferencia de calor en un volumen tan pequeño como sea posible; a continuación se muestran algunas configuraciones compactas de intercambiadores de calor. Un tipo común de configuración de intercambiador de calor compacto es el denominado de coraza y tubo, en el cual una cámara grande (la coraza) aloja muchos tubos que pueden hacer una, dos o muchas pasadas dentro de la coraza. Los intercambiadores de calor de coraza y tubos pueden ser enormes, con dimensiones de muchos metros de diámetro y longitud y puede incluir millares de tubos. Se pueden incorporar varias pasadas de tubos a una sola coraza; pero lo más común es usar solo una o 2 pasadas de coraza. Un aspecto practico es el de la limpieza de los intercambiadores de calor, se debe determinar el tipo de fluido que se necesita usar en los tubos y en la coraza. Si un fluido es muy corrosivo o genera película o nata en la superficie sólida, generalmente se utiliza el lado de los tubos debido a que se pueden limpiar las paredes interiores de los mismos con relativa facilidad comparada con sus partes externas y el resto de la coraza. La otra consideración para estos tipos de intercambiadores de calor y de mucha importancia es la caída de presión y/o los requerimientos de bombeo para los dos fluidos. Generalmente la mayor caída de presión se encuentra del lado del tubo; en consecuencia, esto influye en la selección de los fluidos para este intercambiador. Otras consideraciones especificas a determinada aplicación, pueden determinar la selección de los fluidos del lado de los tubos y la coraza. El análisis de los intercambiadores de calor compactos de coraza y tubo es relativamente complejo comparada con el caso de una sola pasada. De hecho cada uno de estos arreglos complejos es solamente una combinación de distintos efectos de una sola pasada. Por lo tanto es conveniente considerar inicialmente el caso de un solo paso para iniciar el análisis de los intercambiadores de calor. Análisis de intercambiador de calor de un solo paso En la figura se representan los perfiles de temperatura para las corrientes de fluido en las cuatro configuraciones básicas de pasada sencilla y doble tubería. Note que en los casos c y d, solamente unas de las corrientes de fluidos experimenta un cambio de temperatura. Naturalmente esto se debe al hecho de que el otro fluido pasa por un cambio de fase al liberar o recibir el calor, en que tal cambio de fase ocurre a temperatura constante. En cada uno de los casos mostrados, la variación de temperatura de las dos corrientes del fluido es intuitivamente correcta. Note que la temperatura de fluido más caliente Th disminuye al liberar calor, excepto en el caso c en el que se condensa el fluido caliente. En forma análoga, la temperatura del fluido frío Tc se eleva conforma la corriente pasa a través del intercambiador excepto en el caso d) en el cual el calor recibido hace que el fluido frío se evapore o cambie de líquido a vapor. Se muestra las direcciones de flujo para cada corriente de fluido excepto en los casos c) y d) en que no están involucradas las direcciones de las corrientes de los fluidos de condensación y de evaporación; sin considerar si las corrientes fluyen en paralelo o en contraflujo. La dirección del flujo en los condensadores y evaporadores es significativa si el cambio de fase es completo dentro del intercambiador de calor. La figura muestra un caso de estos para corriente de fluidos que fluyen en direcciones opuestas cuando se condensa el fluido, luego se enfría por debajo de condición de su temperatura de saturación, conforme la transferencia de calor continua ocurriendo dentro del intercambiador de calor de doble tubería. Análisis del intercambiador de calor contraflujo de paso sencillo y doble tubería. El fluido caliente entra en (1), el lado izquierdo del intercambiador de calor mostrado y el fluido frío entra en (2). La abscisa es A, el área de intercambiador de calor, que esta relacionada directamente con la longitud de la configuración de doble tubería esta considerando. que se Se necesitan dos herramienta básicas para el análisis de este caso, que son la primera ley de la termodinámica y la ecuación aplicable de la razón expresada en términos de un coeficiente global de transferencia de calor Análisis de intercambiadores de coraza y tubos de contraflujo. Cuando se tiene que transferir una gran cantidad de calor, a menudo es indeseable o imposible dedicar el espacio que seria necesario si se fuera a utilizar un intercambiador de paso sencillo y de doble tubería. Estas configuraciones mucho más complejas son más difíciles de tratar analíticamente que los casos de paso sencillo, se puede emplear la ecuación: q=UATlm junto con un factor de corrección. Se usa el factor de corrección F, que se encuentra en la gráfica adecuada, para modificar la ecuación anterior en la forma: q=UAFTlm En donde siempre se determina Tlm en base al contraflujo. Método de número de unidades de transferencia (NUT) para diseño y análisis de intercambiadores de calor Nusselt propuso por primera vez en 1930 el concepto de la efectividad del intercambiador de calor. Se define la efectividad como la razón de la transferencia real de calor lograda en un intercambiador de calor a la máxima transferencia posible si se dispusiera de área infinita de transferencia de calor. Con relación a la siguiente figura que muestra perfiles típicos de la temperatura para configuraciones de contraflujo y flujo paralelo de una sola pasada, es aparente que en general un fluido sufre un mayor cambio de temperatura que el otro. El cambio relativo en la temperatura de los dos fluidos esta relacionado inversamente a sus razones de capacidad, el que tiene menos valor de C sufre el mayor cambio de temperatura. A la mayor razón de capacidad se le designa mediante Cmax y a la menor capacidad mediante Cmin. En el caso del contraflujo, es aparente que conforme se aumenta el área del intercambiador de calor, la temperatura de salida del fluido mismo se aproxima a la temperatura de entrada del fluido máximo en el limite conforme el área se aproxima al infinito: TminsalidaTmaxentrada En el caso del flujo paralelo, un área infinita solo significa que la temperatura de ambos fluidos seria la lograda si se permitiera que ambos se mezclaran libremente en un intercambiador de calor tipo abierto. Consideraciones adicionales en el análisis y diseño de intercambiadores de calor Ensuciamiento del intercambiador de calor Cuando se ha mantenido en uso prolongado un intercambiador de calor, es seguro que se forme sarro en las superficies de los tubos o que se deteriore la misma superficie debido a la corrosión. Con el tiempo, estos efectos alteran el funcionamiento del intercambiador. A la superficie de transferencia de calor que se ha afectado en esa forma se llama sucia. Normalmente se considera que una superficie sucia es la que presenta alguna resistencia adicional a la transferencia del calor debido a la acumulación de materias extrañas o sarro. Esta resistencia térmica adicional provoca en forma natural que la transferencia de calor sea inferior a la correspondiente en el caso de que no haya resistencia de suciedad. Predecir la acumulación de sarro o el efecto correspondiente en la transferencia del calor es una labor muy difícil. Se puede evaluar el desempeño real de un intercambiador de calor después de un periodo de servicio y de ahí determinar la resistencia por ensuciamiento, con una superficie limpia: qq=UuATlm= Tlm/Rto En forma análoga, para una superficie sucia qq=UfATlm=Tlm/Rtf En donde Rto y Rtf representa la resistencia térmica total para la superficie limpia y sucia respectivamente. 1 Uo = 1 Ao ln( ro / ri ) ho Ao Aihi 2 k Donde los términos en el denominador son las resistencias térmicas debidas a la convección en la superficie exterior de los tubos, y la convección en la superficie interior de los tubos respectivamente. Para una superficie sucia, la expresión U es Uf= 1 1 ho Ro Ao ln( ro / ri ) 2 k Ri Ao Aihi En la cual los términos adicionales Ro y RI representan las resistencias de ensuciamiento en la superficie interior y exterior del tubo respectivamente. En la siguiente tabla se proporcionan algunos valores típicos de resistencia de ensuciamiento que se deben emplear en la ecuación anterior. La tubular exchange manufacturers associations, sugiere estos valores: Resistencia de ensuciamiento Fluido (hr-ft2-F/Btu) Agua destilada 0.0005 Agua de mar, por debajo de 125ºF 0.0005 Por arriba de 125ºF 0.001 Agua tratada para caldera 0.001 Agua potable o de pozo por debajo de 125ºF 0.001 Por arriba de 125ºF 0.002 Líquidos de refrigeración 0.001 Vapores de refrigeración 0.002 Gasolina líquida y vapores orgánicos 0.0005 Aceite combustible 0.005 Vapor sin aceite 0.0005 Aire industrial 0.002 La siguiente tabla da algunos valores representativos del coeficiente de transferencia de calor global para distintas combinaciones de fluidos. Muelles sugiero los valores listados. No se debe considerar que estos valores son exactos, sino solamente representativos de las magnitudes que se deben esperar en los intercambiadores de calor con las combinaciones listadas de fluidos. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR GLOBAL DE LOS VALORES APROXIMADOS Combinación de fluidos Agua a aire comprimido Agua a agua, camisas de enfriamiento Agua a salmuera Agua a gasolina Agua a gas de petróleo o un destilado Agua a solventes orgánicos, alcohol Agua a alcohol de condensación Agua a aceite de lubricación Agua a vapores de aceite de condensación Agua a freón-12 de condensación o de ebullición Agua a amonio de condensación Vapor a soluciones acuosas Vapor a gases Organicos ligeros a orgánicos ligeros Organicos medianos a orgánicos medianos Organicos pesados a orgánicos pesados Organicos pesados a orgánicos ligeros Petróleo crudo a gas de petróleo U(Btu/hr-ft2ºF) 10-30 150-275 100-200 60-90 35-60 50-150 45-120 20-60 40-100 50-150 150-250 100-600 5-50 40-75 20-60 10-40 10-60 30-55