Comportamiento de los intercambiadores de calor Alfa...

Comportamiento de los intercambiadores de calorAlfa Laval a cargas parciales

1. OBJETIVO

El presente estudio tiene como objetivo clarificar cul es el comportamiento de un intercambiador de calor a placas cuando se somete a una variacin del caudal de fluido que pasa por sus canales.

Actualmente vivimos un aumento del inters en conocer los distintos rendimientos que ofrecen los equipamientos de climatizacin cuando stos se ajustan a diferentes demandas, es decir, cuando funcionan ajustndose a las necesidades de cada momento. Esta tcnica de ahorro energtico contempla la reduccin de caudales de los fluidos a mover, ya que las bombas de fluido son las responsables de una parte muy importante de consumo energtico en una instalacin de climatizacin.

Los intercambiadores de calor son equipos indispensables en una instalacin de estas caractersticas ya que se encargan de recuperar la energa de un fluido a otro, minimizando las prdidas al ambiente y por lo tanto consiguiendo mejores rendimientos, convirtindose en un elemento clave a considerar. Actualmente no existen muchos estudios que aborden estos conceptos, hecho que nos ha motivado para realizar un breve documento de resumen con los datos ms relevantes.

Este estudio ha sido realizado por el equipo de T-Soluciona. Queda expresamente prohibido su modificacin, publicacin o uso sin el expreso consentimiento de la direccin de T-Soluciona.

www.t-soluciona.com Comportamiento de los intercambiadores de calor Alfa Laval a cargas parciales Csar Fernndez Achcarro

2. INTRODUCCIN

Para la elaboracin de este estudio se ha utilizado el programa de seleccin de intercambiadores Alfa Select 2013 del fabricante Alfa Laval S.A. , un programa muy completo el cual permite distintas selecciones y conocer los distintos rendimientos en funcin de la variacin de sus condiciones de funcio-namiento gracias al modo de clculo performance. (Si lo desea puede solicitarlo a travs del correo [email protected])

Debido a que se trata de un estudio en el que se quiere comprender mejor el comportamiento de estos equipos en instalaciones de tamao medio como son las de climatizacin, se ha elegido 4 modelos de intercambiadores los cuales se han sometido a diversas condiciones de funcionamiento. Estos modelos son:


MODELO N PLACAS TIPO DE PLACAS MATERIAL

M3-FG 19 H AISI 316

M6-FM 19 L AISI 316

M6 M-FM 23 L AISI 316

M10 M-FM 22 L AISI 316

Todos los intercambiador es del fabricante Alfa Laval han sido sometidos a una reduccin de caudal del 25, 50 y 75%, tanto en ambos circuitos como independientemente en el primario (circuito caliente) como en el secundario (circuito fro), con el objetivo de abarcar todas las posibilidades de fun-cionamiento de estos equipos. Cabe indicar que, segn la hiptesis de clculo utilizada, no se han tenido en cuenta ningn tipo de material aislante sobre los intercambiadores o de chapas de proteccin externas, simulando su comportamiento en el interior de una sala cerrada, sin grandes diferencias trmicas con respecto al funciona-miento del intercambiador.

Se han seleccionado unas condiciones de trabajo iniciales las que permitieran a los intercambiadores seleccionados trabajar con el mnimo margen de sobredimensionamiento posible evitando as datos de partida que pudieran dar lugar a resultados irregulares. Uno de los aspectos ms im-portantes a tener en cuenta en el estudio de fluidos es si su rgimen es turbulento o laminar. Es conocido que cualquier fluido en rgimen turbulento es capaz de transferir mucha ms energa que uno en rgimen laminar, por ello vamos a considerar rgimen laminar para valores de Reynolds menores de 2100, a pesar que por encima de este valor el fluido se encuentra en zona de transicin turbulento-laminar.


3. RESULTADOS

M3FG:

19 PL H POTENCIA INTERCAMBIADA [Kw]PERDIDA

POTENCIAT ENTRADA

[C]T SALIDA

[C] Q [m3/h] AP [Kpa] Re in Re mid Re outT ENTRADA

[C]T SALIDA

[C] Q [m3/h] AP [Kpa] Re in Re mid Re out

100% 49 0% 55 45 4,3 48,79 5190 4770 4362 35 45 4,3 49 4394 3998 361775% 40,09 18% 55 44 3,2 27,65 3869 3532 3208 35 45,9 3,2 28,23 3344 3025 272050% 29,68 39% 55 43,2 2,2 13,4 2660 2411 2171 35 46,7 2,2 13,67 2333 2096 187025% 15,23 69% 55 41,7 1 2,9 1209 1081 959,6 35 48,2 1 2,9 1089 966,2 850,1

REDUCCION EN PRIMARIO

REDUCCION EN SECUNDARIO


POTENCIAT ENTRADA

[C]T SALIDA


[C]T SALIDA


100% 49 0% 55 45 4,3 48,79 5190 4770 4362 35 45 4,3 49 4394 3998 361775% 44,3 10% 55 42,9 3,2 27,6 3869 3467 3150 35 43,9 4,3 50,05 4340 3963 366550% 36,24 26% 55 40,06 2,2 13,43 2660 2298 2068 35 42,3 4,3 50,1 4212 3873 366525% 20,5 58% 55 37 1 2,9 1209 960,6 877,4 35 39,1 4,3 50,2 3967 3736 3655


POTENCIAT ENTRADA

[C]T SALIDA


[C]T SALIDA


100% 49 0% 55 45 4,3 48,79 5190 4770 4362 35 45 4,3 49 4394 3998 361775% 44,5 9% 55 45,9 4,3 48,9 5199 4854 4460 35 47,1 3,2 28 3416 3089 272050% 36,67 25% 55 47,5 4,3 48,87 5199 4952 4588 35 49,5 2,2 13,64 2447 2210 187025% 20,93 57% 55 50,7 4,3 48,8 5199 5108 4847 35 53,2 1 2,94 1183 1095 850,1

REDUCCION DE CAUDAL EN PRIMARIO Y SECUNDARIO


M6FM:

19 PL L POTENCIA INTERCAMBIADA [Kw]PERDIDA

POTENCIAT ENTRADA

[C]T SALIDA


[C]T SALIDA


100% 350 0% 85 65 15,6 35,65 12950 11430 9965 50 70 15,3 36,53 10710 9270 789475% 274,2 22% 85 64,2 11,7 21,03 9736 8562 7405 50 71,4 11,2 20,47 7993 6871 578150% 196 44% 85 62,7 7,8 9,92 6490 5647 4829 50 72,5 7,6 9,96 5508 4698 392325% 106,8 69% 85 60,6 3,9 2,74 3245 2787 2343 50 74,6 3,8 2,749 2829 2385 1961




POTENCIAT ENTRADA

[C]T SALIDA


[C]T SALIDA


100% 350 0% 85 65 15,6 35,65 12950 11430 9965 50 70 15,3 36,53 10710 9270 789475% 306,8 12% 85 61,7 11,7 21,09 9736 8282 7139 50 67,5 15,3 36,67 10350 8976 789750% 241,7 31% 85 57,4 7,8 10 6490 5192 4461 50 63,8 15,3 36,83 9814 8595 789725% 142 59% 85 52,6 3,9 2,79 3245 2331 2064 50 58,1 15,3 37,05 9008 8156 7897



POTENCIAT ENTRADA

[C]T SALIDA


[C]T SALIDA


100% 350 0% 85 65 15,6 35,65 12950 11430 9965 50 70 15,3 36,53 10710 9270 789475% 304,9 13% 85 67,6 15,6 35,73 12980 11810 10370 50 73,8 11,2 20,4 8253 7124 578150% 243,7 30% 85 71,1 15,6 35,62 12980 12210 10890 50 78 7,6 9,879 5915 5161 392325% 143,1 59% 85 76,9 15,6 35,47 12980 12710 11740 50 82,9 3,8 2,7 3141 2871 1961


M6MFM


POTENCIAT ENTRADA

[C]T SALIDA


[C]T SALIDA


100% 500 0% 80 60 22,2 22,93 14660 12850 11110 35 55 21,7 23,62 10330 8709 718675% 403,6 19% 80 58,4 16,6 13,26 10970 9527 8138 35 56,5 16,3 13,7 7923 6615 539450% 291,5 42% 80 56,7 11,1 6,19 7338 6297 5297 35 58,4 10,8 6,27 5411 4461 357425% 162,7 67% 80 53,7 5,5 1,64 3636 3054 2503 35 61,2 5,4 1,68 2821 2283 1787




POTENCIAT ENTRADA

[C]T SALIDA


[C]T SALIDA


100% 500 0% 80 60 22,2 22,93 14660 12850 11110 35 55 21,7 23,62 10330 8709 718675% 444,8 11% 80 56,2 16,6 13,29 10970 9287 7862 35 52,8 21,7 23,64 9937 8433 718150% 359,5 28% 80 51,3 11,1 6,228 7338 5863 4849 35 49,4 21,7 23,72 9383 8083 718125% 223,9 55% 80 43,9 5,5 1,66 3636 2589 2112 35 44 21,7 23,83 8528 7618 7181


POTENCIAT ENTRADA

[C]T SALIDA


[C]T SALIDA


100% 500 0% 80 60 22,2 22,93 14660 12850 11110 35 55 21,7 23,62 10330 8709 718675% 449,7 10% 80 62 22,2 22,95 14680 13160 11500 35 59 16,3 13,67 8232 6850 539450% 366,5 27% 80 65,4 22,2 22,9 14680 13570 12070 35 64,5 10,8 6,23 5923 4895 357425% 232,4 54% 80 72,4 22,2 22,84 14680 14140 13010 35 72,4 5,4 1,66 3306 2795 1787



M10FM:

22PL L POTENCIA INTERCAMBIADA [Kw]PERDIDA

POTENCIAT ENTRADA

[C]T SALIDA


[C]T SALIDA


100% 800 0% 80 60 35,5 16,44 16670 14350 12540 40 50 69,6 53,01 19730 17860 1639075% 661,3 17% 80 57,9 26,6 9,56 12500 10620 9199 40 51 52,2 30,75 14970 13450 1229050% 478,9 40% 80 56 17,7 4,44 8317 6934 5937 40 52 34,8 14,3 10140 9012 819325% 270,5 66% 80 53 8,9 1,21 4182 3379 2846 40 53,5 4541 3,86 5200 4541 4097




POTENCIAT ENTRADA

[C]T SALIDA


[C]T SALIDA


100% 800 0% 80 60 35,5 16,44 16670 14350 12540 40 50 69,6 53,01 19730 17860 1639075% 703,6 12% 80 56,5 26,6 9,57 12500 10430 8998 40 48,8 69,6 53,04 19220 17560 1639050% 544,1 32% 80 52,7 17,7 4,46 8317 6623 5631 40 46,8 69,6 53,14 18560 17210 1639025% 326,6 59% 80 47,4 8,9 1,22 4182 3063 2589 40 44,1 69,6 53,27 17680 16790 16390



POTENCIAT ENTRADA

[C]T SALIDA


[C]T SALIDA


100% 800 0% 80 60 35,5 16,44 16670 14350 12540 40 50 69,6 53,01 19730 17860 1639075% 765,3 4% 80 60,9 35,5 16,44 16680 14600 12840 40 52,8 52,2 30,7 15400 13710 1229050% 668,8 16% 80 63,3 35,5 16,41 16680 14970 13310 40 56,7 34,8 14,23 10950 9537 819325% 485,8 39% 80 67,9 35,5 16,36 16680 15610 14210 40 64,3 17,4 3,81 6139 5230 4097


Potencia perdida: Porcentaje de potencia perdida con respecto a la inicial. Re in: N de Reynolds a la entrada de la placa del intercambiador. Re mid: N de Reynolds a media altura de la placa del intercambiador. Re out: N de Reynolds a la salida de la placa del intercambiador. NOTA: En rojo se ha subrayado los valores de Reynolds que, segn la hiptesis utilizada, pueden ser considerados como flujo laminar.


4. REPRESENTACIN Y CONCLUSIONES

En esta seccin es donde se manifestar los distintos comportamientos de los intercambiadores bajo las distintas demandas estudiadas. Para ello, utilizaremos la representacin grfica de los datos obtenidos, y mediante distintas grficas compararemos cada situacin. En primer lugar, el factor que ms nos interesa conocer es la reduccin de la potencia de intercambio en funcin de la reduccin de caudal:

REDUCCION DE POTENCIA EN FUNCIN DEL CAUDAL

0

10

20

30

40

50

60

100% 75% 50% 25%

Pote

ncia

inte

rcam

biad

a [K

w/h

]

Caudal

M3 19 Placas: Reduccion de potencia / Caudal

Reduccion en ambos circuitos

Reduccion en primario

Reduccion en secundario

0

50

100

150

200

250

300

350

400

100% 75% 50% 25%

Pote

ncia

inte

rcam

biad

a [K

w/h

]

Caudal






Se puede observar claramente que la bajada de rendimiento del intercambiador cuando se le priva de un 25% de su caudal total, es decir, trabajan-do a un 75%, es muy pequea, frente a la bajada que sufre dicho rendimiento cuando ste trabaja entre el 25 y el 50% del caudal para el que fue calculado, esto se identifica fcilmente por la mayor pendiente de la recta en este ltimo tramo. Llama la atencin que en todos los casos, si la reduccin del caudal se produce en ambos circuitos a la vez, el descenso del rendimiento es mucho mayor que si se reduce en un circuito nicamente. Esto es lgico ya que esta-mos bajando la capacidad del intercambiador en ambos lados, el frio y el caliente.

0

100

200

300

400

500

600

100% 75% 50% 25%

Pote

ncia

inte

rcam

biad

a [K

w/h

]

Caudal

M6M 23 Placas: Reduccion de potencia / Caudal




0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

100% 75% 50% 25%

Pote

ncia

inte

rcam

biad

a [K

w/h

]

Caudal






Observamos tambin que el descenso de rendimiento del intercambiador de placas es prcticamente el mismo si disminuimos el caudal en el circuito primario que en el secundario, siempre y cuando los caudales sean semejantes. En el caso del intercambiador M10 esto no se cumple ya que el circuito secundario parte del doble caudal del primario y por lo tanto no es equivalente, podemos considerarlo como un caso alternativo.

De especial mencin es el rendimiento en funcin del modelo del intercambiador. Se puede comprobar cmo al aumentar en tamao de inter-cambiador, el descenso del rendimiento se convierte mucho ms lineal, llegando a asemejarse a una lnea completamente recta en el caso del M10 con reduccin de caudales en ambos fluidos (lnea amarilla).

Concluimos pues que el comportamiento de los intercambiadores ms pequeos frente a variaciones de caudal es mucho ms inestable que en el caso de los intercambiadores de placas ms grandes y que la reduccin de la capacidad de intercambio se ve realmente mermada cuando funciona-mos por debajo del 50% del caudal de diseo.

REDUCCIN DEL NMERO DE REYNOLDS EN FUNCIN DEL CAUDAL

Otro aspecto interesante a tener en cuenta para comprender el comportamiento del intercambiador de placas es el nmero de Reynolds. Como ya se ha explicado anteriormente, este factor va a condicionar el intercambio trmico que se produzca en el alma del intercambiador, en las placas.

El nmero de Reynolds es un nmero adimensional que relaciona la viscosidad, velocidad y dimensin tpica de un fluido al paso por una seccin. Existen diversas teoras de a partir de qu numero de Reynolds el fluido pasa de turbulento a laminar, pero nosotros vamos a apoyarnos en que ha sido ms co-mnmente utilizada en mbitos universitarios que es la siguiente:

Rgimen turbulento: Re > 10.000 Rgimen laminar: Re < 2.100 Rgimen de transicin: 10.000 > Re > 2.100


Por lo tanto, la capacidad que tendr el fluido para ceder y recibir energa ser mayor si se encuentra en un estado de rgimen turbulento que si se encuentra en un estado de rgimen laminar. Los intercambiadores de placas corrugadas, como los del fabricante Alfa Laval, estn especialmente diseados para que en condiciones de diseo, el fluido sea siempre rgimen turbulento y poder as obtener los mejores rendimientos, evitando a su vez el ensucia-miento en su interior. Gracias a los distintos tipos de canales (H,L y M) se consiguen distintos niveles de turbulencia:

Placa tipo H (alta eficiencia) Placa tipo L (baja perdida de carga)

El programa de clculo de intercambiadores Alfa Select 2013 ofrece los valores del nmero de Reynolds a la entrada, en medio, y a la salida de las placas. Para hacer las comparativas hemos considerado el valor de Reynolds existente en medio de la placa ya que puede ser considerado como una buena aproximacion del comportamiento que existe en el interior del intercambiador.


En primer lugar cabe destacar la linealidad que existe entre la reduccin de caudal y la reduccin en el nmero de Reynolds. Como se puede ob-servar en el comportamiento de todos los intercambiadores, a medida que descendemos el caudal, desciende el nmero de Reynolds proporcionalmente, apareciendo lneas con pendientes muy constantes en todos los tramos.

Vemos tambin que solamente en el caso del intercambiador M3-FG se llega al lmite del rgimen laminar de 2.100 Re al 50% de su caudal, produ-cindose un descenso notable de rendimiento a partir de este punto. Podemos afirmar que en intercambiadores pequeos el lmite de rgimen laminar se consigue al bajar ms de un 50% su caudal de diseo, en intercambiadores ms grandes este lmite aparece al bajar hasta un 25% su caudal aproximada-mente, ya que no se han contemplado menores caudales para este estudio.

Adems se observa que para las condiciones de diseo del 100%, en intercambiadores a partir del M3, las condiciones de funcionamiento son siem-pre en rgimen turbulento, Re > 10.000.


VARIACION DE LA TEMPERATURA DE SALIDA DEL LADO CALIENTE

Un aspecto importante a la hora de tener en cuenta en el comportamiento de un elemento de intercambio de energa entre fluidos en un proceso industrial es cmo reaccionan las distintas temperaturas frente a las variaciones de caudal. Para ello se han medido las temperaturas de salida del circuito caliente de cada intercambiador en funcin del descenso de los caudales, manteniendo siempre constante la temperatura de entrada.

35

37

39

41

43

45

47

49

51

53

100% 75% 50% 25%

Tem

pera

tura

sal

ida

calie

nte

[C

]

Caudal

M3 Temperatura salida lado caliente (primario)




50

55

60

65

70

75

80

100% 75% 50% 25%

Tem

pera

tura

sal

ida

calie

nte

[C

]

Caudal






De estas grficas se puede constatar lo que ya hemos comprobado en el anlisis de los dems resultados, y es que, trabajando por debajo del 50% del caudal de diseo, los valores se disparan. El rendimiento sufre una variacin importante pasando de existir unos incrementos de temperatura de apenas 1-2C para el funcionamiento entre el 100% y el 75% de caudal, a incrementos de 9C para el funcionamiento ente el 50% y el 25%. Como se puede com-probar, si reducimos el caudal del lado fro, la temperatura de salida del lado caliente aumenta, por el contrario, si reducimos el caudal en el circuito caliente, su temperatura de salida disminuye.

Si esta disminucin de caudales se produce en ambos circuitos, la temperatura de salida del circuito caliente disminuye, es decir, conseguimos tem-peraturas de retorno del primario ms fras.

40

45

50

55

60

65

70

75

100% 75% 50% 25%

Tem

pera

tura

sal

ida

calie

nte

[C

]

Caudal

M6 M Temperatura salida lado caliente (primario)




45

50

55

60

65

70

100% 75% 50% 25%

Tem

pera

tura

sal

ida

calie

nte

[C

]

Caudal






VARIACION DE LA TEMPERATURA DE SALIDA DEL LADO FRO

Al igual que se ha mantenido la temperatura de entrada del circuito caliente, tambin se ha mantenido fija la temperatura de entrada del circuito fro. Esto es una hiptesis de mantener a temperatura constante las fuentes de calor existentes en la instalacin, que puede ser vlida para arrojar unos resultados aproximados del comportamiento de los intercambiadores a placas.

37

39

41

43

45

47

49

51

53

55

100% 75% 50% 25%

Tem

pera

tura

sal

ida

fro

[C

]

Caudal

M3 Temperatura salida lado fro (secundario)

Reduccion ambos circuitos



57

62

67

72

77

82

87

100% 75% 50% 25%

Tem

pera

tura

sal

ida

fro

[C

]

Caudal





El comportamiento de las temperaturas a la salida del circuito fro sigue el mismo patrn que el circuito caliente. A medida que disminuimos caudal del lado caliente, la temperatura del lado fro disminuye, si disminuimos caudal del circuito fro, la temperatura de salida aumenta. Por debajo del 50% del caudal las pendientes de las rectas aumentan considerablemente por lo que se disparan las temperaturas. Vemos que si la reduccin es en ambos circuitos, ocurre lo contrario que con la salida del circuito caliente. En este caso la salida del fro aumenta su temperatura.


En este caso la mayor variacin de temperaturas la observamos en el modelo M10, en la variacin de temperatura del circuito secundario. Esto es debido a que, como se ha mencionado con anterioridad, este circuito lleva el doble del caudal que el primario, por lo que es lgico este comportamiento.

En definitiva, si se produce un descenso de caudal en los fluidos de trabajo la temperatura de salida del circuito caliente disminuye y la temperatura de salida del circuito fro aumenta. Es primordial conocer este comportamiento a la hora de disear una instalacin.

PRDIDA DE POTENCIA EN FUNCIN DEL CAUDAL

Por ltimo, para hacer una comparativa ms directa entre los modelos de los intercambiadores de placas Alfa Laval, comparamos las prdidas de potencia de cada equipo disminuyendo el caudal en ambos circuitos. Se observa cmo el comportamiento ms lineal es el del M6 junto el M6M. Mientras que el M3 se ve sometido a unas prdidas ajustadas al principio de la reduccin de caudal, es el mayor afectado cuando se trabaja a bajas cargas, seguramente debido a su funcionamiento en rgimen laminar.

37

42

47

52

57

62

67

72

77

100% 75% 50% 25%

Tem

pera

tura

sal

ida

fro

[C

]

Caudal

M6 M Temperatura salida lado fro (secundario)




42

47

52

57

62

67

100% 75% 50% 25%

Tem

pera

tura

sal

ida

fro

[C

]

Caudal






El modelo mayor, en este caso el M10, es el que menores prdidas de rendimiento sufre con las variaciones de caudal.

Para concluir, podemos afirmar que la prdida de energa de intercambio es proporcional al descenso de los caudales. No existe un punto en el cual haya un descenso de la energa transmitida preocupante, aunque si se debe tener en cuenta que la gran variacin se da en las temperaturas de salida de los fluidos. Extrapolando los resultados, y contemplando la tendencia de los comportamientos, podemos afirmar a su vez que para caudales menores del 25% s se producir un descenso considerable de la potencia transmitida y por lo tanto, de los rendimientos de la instalacin, no asegurndose el correcto funcionamiento de la instalacin.

Por ello, desde T-Soluciona, recomendamos no hacer uso de esta tipologa de equipos por debajo de caudales inferiores al 25% para asegurar unos rendimientos ptimos y conseguir una instalacin energticamente eficiente.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

100% 75% 50% 25%

Pote

ncia

per

dida

Caudal

Prdida de potencia en funcin del caudal

M3

M6

M6 M

M10


Si desea un estudio personalizado no dude en solicitrnoslo a travs de nuestra pgina web www.t-soluciona.com o bien enviando un correo electrnico a [email protected].

Este estudio ha sido realizado por el equipo de T-Soluciona. Queda expresamente prohibido su modificacin, publicacin o uso sin el expreso consentimiento de la direccin de T-Soluciona.


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