UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PANAMA

CENTRO REGIONAL UNIVERSITARIO DE AZUERO

FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA

INGENIERIA ELECTROMECANICA

INFORME DE TRANSFERENCIA DE CALOR

INTERCAMBIADORES DE CALOR

FACILITADOR:

Profesor Carlos Cedeño

PREPARADO POR:

Rogelio Castillo

Edmundo Morales

Luis Urcia

GRUPO:

FECHA:

INTRODUCCIÓN

En el presente informe, se abordara de manera clara los conceptos que envuelven

a un intercambiador de calor. Primeramente es necesario mencionar que a lo largo

de la evolución humana, el hombre en su afán de lograr resolver problemas

complejos se dio a la tarea en los últimos siglos, de analizar el comportamiento del

flujo de calor a través de determinadas superficies. Posteriormente encontraron la

manera de usar dichos conceptos y materializarlos en lo que se conoce como un

intercambiador de calor, el cual no es más que un dispositivo en el que se logra

extraer calor de un fluido, el cual se encuentra a una temperatura superior a lo

necesario, transfiriéndolo a otro que talvez si necesite de calor adicional para su

utilización adecuada. Se debe señalar que en el intercambiador se produce

conducción de calor en el fluido y convección con las placas de las paredes.

Es importante recalcar que al trabajar con estos intercambiadores, resulta un poco

más cómodo emplear la diferencia media de temperatura equivalente entre los dos

fluidos de trabajo, para de esta forma agilizar los procesos de cálculo; esto clara si

se conocen las temperaturas de entrada y salida de los fluidos en el

intercambiador.

En este trabajo, nos enfocaremos en determinar la denominada, Efectividad – NTU, la cual nos permite de manera clara evaluar los intercambiadores de calor

sin conocer las temperaturas de los diferentes fluidos, por lo que no se puede

determinar la diferencia de temperatura media logarítmica.

CONTENIDO

Intercambiador de Calor

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de calefacción, refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico, sin embargo, se hará referencia única y exclusivamente a la transferencia de energía entre fluidos por conducción y convección entre las paredes.

“Un intercambiador de calor es un dispositivo que facilita la transferencia de calor de una corriente fluida a otra”

Tipos de Intercambiadores de Calor

Intercambiadores de contacto directo: son aquellos dispositivos en los que los fluidos sufren una mezcla física completa.

Intercambiadores de contacto indirecto: es importante señalar que Existen dos tipos de intercambiadores de contacto indirecto los cambiadores de flujo paralelo (intercambio líquido - líquido) y los cambiadores de flujo cruzado (intercambio líquido - gas). Los intercambiadores de flujos paralelos, se utilizan generalmente para el intercambio térmico líquido-líquido, mientras que los de flujos cruzados se utilizan generalmente en el intercambio líquido-gas.

Además dependiendo de si existe una mezcla entre fluidos de trabajo, pueden también clasificarse en:

1. Alternativos: ambos fluidos recorren un mismo espacio de forma alternada, la mezcla entre los fluidos es despreciable.

2. De superficie: son equipos en los que la transferencia de calor se realiza a través de una superficie, cilíndrica o plana, sin permitir el contacto directo.

Los intercambiadores de superficie pueden clasificarse en:

Intercambiadores de Calor Tubulares

El cambiador indirecto más simple es el cambiador de tubos concéntricos; consta de dos tuberías concéntricas, una en el interior de la otra, circulando los dos fluidos por el espacio anular y por la tubería interior. Los flujos pueden ser en el mismo sentido (corrientes paralelas) o en sentido contrario (contracorriente).

Intercambiadores de Placas Los intercambiadores de calor de placas son ideales para aplicaciones en las que los fluidos tienen una viscosidad relativamente baja y no contienen partículas. Además son una elección ideal donde existe un pequeño salto térmico entre la temperatura de salida del producto y la temperatura de entrada del servicio. Los intercambiadores de calor a placas consisten en delgadas

planchas corrugadas, empaquetadas (desmontables con juntas) o bien soldadas con Cobre. Las placas son apretadas unas contra otras formando el paquete de placas dentro de un bastidor, en el que el flujo de producto se encuentra en canales alternos y el servicio entre los canales del producto.

Intercambiador de Tubo y Coraza

Con el fin de incrementar el área para la convección relativa al volumen del fluido, es común diseñar intercambiadores con múltiples tubos dentro de un simple

intercambiador. Con múltiples tubos es posible arreglar el flujo de manera que una región estará en paralelo y otra región en contracorriente.

La razón principal para usar diseños multipaso es el incremento en la velocidad promedio del fluido en el tubo. En un arreglo de dos pasos el fluido va hacia únicamente la mitad de los tubos, por lo que el número de Reynolds se duplica. Incrementando el número de Reynolds se incrementa: la turbulencia, se incrementa el número de Nusselt y finalmente

se incrementa el coeficiente de convección, aunque la región en flujo paralelo resulte en una baja efectividad de ΔT, el incremento del coeficiente de transferencia de calor compensara esto, y el intercambiador será más pequeño para un servicio. Las mejoras conseguidas con los intercambiadores multipaso son suficientemente grandes que ellos son más comunes en la industria que los intercambiadores en paralelo o contracorriente. I

Procesos Involucrados en un Intercambiador

Transmisión de Calor por Conducción

La conducción es la forma en que tiene lugar la transferencia de energía a escala molecular. Cuando las moléculas absorben energía térmica vibran sin desplazarse, aumentando la amplitud de la vibración conforme aumenta el nivel de energía. Esta vibración se transmite de unas moléculas a otras sin que tenga lugar movimiento alguno de traslación. En la transmisión de calor por conducción no hay movimiento de materia. La conducción es el método más habitual de transmisión de calor en procesos de calentamiento/enfriamiento de materiales sólidos opacos. Si existe una gradiente de temperatura en un cuerpo, tendrá lugar una transmisión de calor desde la zona de alta temperatura hacia la que está a temperatura más baja. El flujo de calor será proporcional al gradiente de temperatura.

Transmisión de Calor por Convección

Cuando un fluido circula alrededor de un sólido, por ejemplo por el interior de una tubería, si existe una diferencia de temperatura entre ambos, tiene lugar un intercambio de calor entre ellos. Esta transmisión de calor se debe al mecanismo

de convección. El calentamiento y enfriamiento de gases y líquidos son los ejemplos más habituales de transmisión de calor por convección. Dependiendo de si el flujo del fluido es provocado artificialmente o no, se distinguen dos tipos: forzada y libre (también llamada natural). La convección forzada implica el uso de algún medio mecánico, como una bomba o un ventilador, para provocar el movimiento del fluido. Ambos mecanismos pueden provocar un movimiento laminar o turbulento del fluido.

Método de la Efectividad-NTU

El Método del Número de Unidades de Transferencia (NUT) se usa para calcular la velocidad de transmisión de calor en Intercambiadores de calor (especialmente en contracorriente) cuando no hay información suficiente para calcular la Diferencia de Temperaturas Media Logarítmica (DTML).

Este método se basa en un parámetro adimensional llamado Efectividad de la transferencia de calor, e, definido de la siguiente forma:

 

 

 

 

 

Aplicaciones

Los intercambiadores de calor se encuentran en muchos sistemas químicos o mecánicos. Estos sirven, como su nombre lo indica, para ganar calor o expeler calor en determinados procesos. Algunas de las aplicaciones más comunes se encuentran en calentamiento, ventilación, sistemas de acondicionamiento de espacios, radiadores en máquinas de combustión interna, calderas, condensadores, y precalentadores o enfriamiento de fluidos. 

Precalentador

En sistemas de vapor de gran escala, o en sistemas donde se requieren grandes temperaturas, el fluido de entrada es comúnmente precalentado en etapas, en lugar de tratar de calentar dicho fluido en una sola etapa desde el ambiente hasta la temperatura final. El precalentamiento en etapas incrementa la eficiencia de la planta y minimiza el choque térmico de los componentes, que es el caso de inyectar fluido a temperatura ambiente en una caldera u otro dispositivo operando a alta temperatura. En el caso de sistemas de generación de vapor, una porción del vapor generado es sustraído y utilizado como fuente de calor para recalentar el agua de alimentación en etapas. La figura () se muestra un ejemplo de la construcción y de las componentes internas de un intercambiador de calor de agua de alimentación con tubos en forma de "U" de una planta de generación de potencia para la etapa del precalentador. Al entrar el vapor al intercambiador de calor y fluir alrededor de los tubos, éste transfiere su energía térmica y se condensa. Observe que el vapor entra por la parte superior de la carcasa del intercambiador de calor, donde transfiere no solamente el calor sensible (cambio de temperatura) sino también transfiere su calor latente de la vaporización (condensación del vapor en agua). El vapor condensado entonces sale como líquido en el fondo del intercambiador de calor. El agua de alimentación entra al intercambiador de calor en el extremo inferior derecho y fluye por los tubos. Observe que la mayoría de estos tubos estarán debajo del nivel fluido en el lado de la carcasa. Esto significa que el agua de alimentación está expuesta al vapor condensado primero y en seguida viaja a través de los tubos y por detrás alrededor del extremo superior derecho del intercambiador de calor. Después de hacer una vuelta de 180 , entonces el agua de alimentación parcialmente calentada está sujeta a la entrada de vapor más caliente que entra a la carcasa. El agua de alimentación es calentada a mayor temperatura por el vapor caliente y después sale del intercambiador de calor. En este tipo de intercambiador de calor, el nivel fluido del lado de la carcasa es muy importante en la determinación de la eficacia del intercambiador de calor, pues el nivel fluido del lado de la carcasa determina el número de tubos expuestos al vapor caliente.

Radiador

Comúnmente, los intercambiadores de calor están pensados como dispositivos líquido-a-líquido solamente. Pero un intercambiador de calor es cualquier

dispositivo que transfiere calor a partir de un fluido a otro fluido. Algunas plantas dependen de intercambiadores de calor aire/liquido. El ejemplo más familiar de un intercambiador de calor aire-a-líquido es un radiador de automóvil. El líquido refrigerante fluye por el motor y toma el calor expelido y lo lleva hasta el radiador. El líquido refrigerante fluye entonces por tubos que utilizan aire fresco del ambiente para reducir la temperatura del líquido refrigerante. Ya que el aire es un mal conductor del calor, el área de contacto térmico entre el metal del radiador y el aire se debe maximizar. Esto se hace usando

aletas en el exterior de los tubos. Las aletas mejoran la eficacia de un intercambiador de calor y se encuentran comúnmente en la mayoría de los intercambiadores de calor del aire/líquido y en algunos intercambiadores de calor líquido/líquido de alta eficacia.

Aire acondicionado, evaporador y condensador

Todos los sistemas de aire acondicionado contienen por lo menos dos intercambiadores de calor, generalmente llamados evaporador y condensador. En cualquier caso, el evaporador o el condensador, el refrigerante fluye en el intercambiador de calor y transfiere el calor, ya sea ganándolo o expeliéndolo al medio frío. Comúnmente, el medio frío es aire o agua. En el caso del condensador, el gas refrigerante caliente de alta presión se debe condensar a en un líquido subenfriado. El condensador logra esto enfriando el gas al transferir su calor al aire o al agua. El gas enfriado es entonces condensado en líquido. En el evaporador, el refrigerante subenfriado fluye en el intercambiador de calor, y el flujo del calor se invierte, con el refrigerante relativamente frío se absorbe calor absorbido del aire más caliente que fluye por el exterior de los tubos. Esto enfría el aire y hace hervir al refrigerante.

Condensadores de vapor

El condensador del vapor, es un componente importante del ciclo del vapor en instalaciones de generación de potencia. Es un recinto cerrado en el cual el vapor sale de la turbina y se fuerza para ceder su calor latente de la vaporización. Es un componente necesario del ciclo del vapor por dos razones. La primera, convierte el vapor usado nuevamente en agua para regresarla al generador o a la caldera de vapor como agua de alimentación. Esto baja el costo operacional de la planta permitiendo reutilizar el agua de alimentación, y resulta más fácil bombear un líquido que el vapor. La segunda razón, aumenta la eficiencia del ciclo permitiendo que el ciclo funcione opere con los gradientes más grandes posibles de temperatura y presión entre la fuente de calor (caldera) y el sumidero de calor (condensador). Condensando el vapor del extractor de la turbina, la presión del extractor es reducida arriba de la presión atmosférica hasta debajo de la presión atmosférica, incrementando la caída de presión del vapor entre la entrada y la salida de la turbina de vapor. Esta reducción de la presión en el extractor de la turbina, genera más calor por unidad de masa de vapor entregado a la turbina, por conversión de poder mecánico. Ya que ocurre condensación, el calor latente de condensación se usa en lugar del calor latente de vaporización. El calor latente del vapor de la condensación se pasa al agua que atraviesa los tubos del condensador. Después de que el vapor condensa, el líquido saturado continúa transfiriendo calor al agua que se enfría al ir bajando hasta el fondo del condensador. Algunos grados de subenfríado previenen la cavitación de la bomba.

La temperatura y el caudal del agua de enfriamiento que pasa por el condensador controlan la temperatura del condensado. Esto alternadamente controla la presión de la saturación (vacío) del condensador

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFÍA

http://es.slideshare.net/oliveraduvire/intercambiadores-de-calor-42454578 https://es.wikipedia.org/wiki/Intercambiador_de_calor https://alojamientos.uva.es/guia_docente/uploads/2011/447/42501/1/

Documento15.pdf http://www.hrsheatexchangers.com/es/productos/componentes/

intercambiadores-de-calor-de-placas/default.aspx http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/csalas/OP2/CARCAZATUB.pdf http://www.telecable.es/personales/albatros1/calor/

transferencia_de_calor_07_intercambiadores.htm http://image.slidesharecdn.com/intercambiadores-de-calor-tipos-generales

aplicaciones-110623210009-phpapp01/95/intercambiadores-decalortiposgeneralesyaplicaciones-6-728.jpg?cb=1308862841

http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/HeatExchanger/node30.html