Clase digital 3. Diseño y operación de intercambiadores de calor

Diseño y operación de intercambiadores de calor

Introducción

¡Hola! Espero que te encuentres muy bien al iniciar esta nueva clase, te mando un cordial saludo. En esta sesión vamos a conocer las características geométricas y modos de operación de los principales tipos de intercambiadores de calor de uso industrial. Además, analizaremos la ecuación general de diseño para comprender la lógica del proceso de dimensionamiento de cualquier tipo de intercambiador de calor, así como los conceptos teóricos que han dado origen al desarrollo de nuevas superficies y dispositivos para incrementar la transferencia de calor y su efecto en la caída de presión. Particularmente se analiza el concepto de la subcapa laminar y su relación con la capacidad de transferencia de calor. Dos elementos importantes en el diseño de equipo térmico son la determinación de la diferencia media logarítmica (ΔT_LM) y el factor de corrección (F) en función del tipo de arreglo de flujo. 

En el diseño de equipo térmico existen dos consideraciones que están relacionadas con el arreglo de flujo. Una de ellas se utiliza como una manera de incrementar la velocidad del fluido y la otra para incrementar la efectividad térmica del equipo. Se trata del número de pasos y del número de corazas o de unidades en serie, lo que da origen a lo que se conoce como arreglos complejos.

El objetivo de esta clase es que identifiques las características de operación de las diferentes tecnologías de intercambio de calor, puedas implementar un método de diseño y seas capaz de analizar el desempeño cuando un equipo es sometido a cambios en sus condiciones de operación. 

Con estos antecedentes, demos inicio a la sesión.

Desarrollo del tema

Existe una gran variedad de equipos de intercambio de calor. Si bien no hay una tecnología que sea universal y que sea las más indicada para todo tipo de aplicación, los intercambiadores de calor de tipo tubo y coraza (ITC) son los más empleados y se adaptan a la gran mayoría de aplicaciones. Un problema con esta tecnología es que no realiza la función de la manera más eficiente desde el punto de vista de dimensiones y consumo de potencia. Esto significa que, en ciertas aplicaciones, otras tecnologías realizan la misma función con equipos de menor tamaño y con menor consumo de potencia para las mismas condiciones de diseño. Sin embargo, una cualidad importante de los ITC es que sus características geométricas y de construcción hacen que sus rangos de aplicación incluyen altas temperaturas y presiones de operación (En apoyo a tu comprensión te invito a ver el video: Shell and tube heat exchangers;

Independientemente de la tecnología del intercambiador de calor, el dimensionamiento parte de la misma ecuación general de diseño:

Donde, A es el área superficial de transferencia de calor (m²), Q es la carga térmica (W), U es el coeficiente global de transferencia de calor (W/m² °C), ΔT_LM es la diferencia de temperatura media logarítmica (°C) y F es el factor de corrección de esta diferencia de temperatura (-). Su valor depende del tipo de arreglo de flujo; cuando es contracorriente, su valor es 1, pues es el arreglo que hace un mejor uso de los gradientes de temperatura. Un arreglo diferente -paralelo, cruzado o una combinación de ellos- tendrá un valor menor a 1. La diferencia media logarítmica de temperatura se expresa como:

La expresión (2) aplica para un perfil de temperaturas como el que se muestra en la Figura 1. 

En relación con el factor de corrección de la diferencia media logarítmica de temperatura, una manera efectiva de calcularlo es a través de la relación:

Cuando se definen los requerimientos térmicos de un problema -carga térmica, temperaturas de entrada y salida y flujos másicos de los fluidos- así como el arreglo de flujo, el único parámetro que queda como grado de libertad para intentar influir en el tamaño del intercambiador de calor es el coeficiente global de transferencia de calor (U). El coeficiente global de transferencia de calor representa la capacidad del equipo para transferir calor desde el fluido caliente hasta el frío. Esto significa vencer cualquier resistencia a la transferencia de calor creada por material depositado sobre las superficies -ensuciamiento- así como la transferencia por conducción a través de la pared que separa los fluidos. El coeficiente global de transferencia de calor se representa por la siguiente expresión:

Donde, h₁ es el coeficiente de transferencia de calor del fluido 1, h₂ es el coeficiente de transferencia de calor del fluido 2, A₁ y A₂ son las áreas de transferencia de calor en cada lado del intercambiador, R_w es la resistencia a la transferencia de calor debido a la conducción a través de la pared sólida y Rf es la resistencia a la transferencia de calor debido al ensuciamiento.

La razón por la cual el coeficiente de transferencia de calor se considera un grado de libertad, es porque su magnitud depende de varios parámetros que pueden modificarse en diseño. Uno muy importante es la velocidad del fluido (v) y otro, es el tipo de superficie de transferencia de calor. Analicemos cada uno de estos parámetros:

Ma) En diseño, la velocidad del fluido se puede modificar a través del parámetro Áreas seccional libre de flujo. (A_c). Este parámetro lo puede elegir el diseñador. Por ejemplo, considerando una geometría específica como la de un intercambiador de tubo y coraza, en el lado de los tubos se puede especificar el diámetro interno y externo del tubo, la separación entre tubos -pitch-, el arreglo de los tubos y el número total de tubos. Entre menor área seccional, mayor velocidad del fluido y mayor coeficiente de transferencia de calor. El parámetro que impone una limitación para aumentar la velocidad de manera indefinida es la caída de presión, que aumenta y mucho más rápido que el coeficiente con la velocidad. La Figura 2 muestra un diagrama de la tendencia que sigue el tamaño del equipo, representado por área superficial, con respecto a la caída de presión que se consume. Todos los diseños representados en la curva cumplen con la carga térmica especificada. Se observa que, si se consume la ΔP máxima permitida, el tamaño del equipo será el menor en ese rango. Otra manera de interpretar el diagrama de la Figura 2 es que existe una gran cantidad de diseños que cumplen con la carga térmica y que tienen una caída de presión menor o igual a la permitida.

b) Las superficies típicas de transferencia de calor son lisas. En esta condición, el flujo de un fluido desarrolla una subcapa laminar, que en condiciones de flujo desarrollado -cuando se estabiliza la subcapa límite- su espesor depende de la velocidad del fluido (Figura 3). Aparte del ensuciamiento, es la principal resistencia a la transferencia de calor en un equipo de intercambio de calor.

Cuando una superficie es rugosa o tiene alguna geometría que hace que el fluido cambie de dirección y cree turbulencia local, la fracción de mayor velocidad golpea al fluido estancado y lo remueve sustituyéndolo por fluido de alta velocidad. Este fenómeno se conoce como rompimiento de la capa límite. Como la subcapa laminar representa una resistencia importante a la transferencia de calor porque en esta zona el calor se transmite por conducción y la conductividad de los fluidos es baja, el resultado es un incremento sustancial en el valor del coeficiente. Este movimiento también origina un incremento en la caída de presión. Una manera de generar turbulencia local es a través del empleo de promotores de turbulencia (Figura 4). Revisar el documento: Heat Transfer Enhancement.

La idea de buscar eliminar la subcapa laminar, ha dado origen al desarrollo de nuevas geometrías de intercambiadores de calor que cuentan con superficies extendidas o con corrugaciones cuyo objetivo es incrementar el área superficial de transferencia de calor y crear turbulencia local. Las tecnologías que utilizan este tipo de principio en su diseño se conocen como intercambiadores de calor compactos. Los más comunes son: Intercambiadores de playo y marco (En apoyo a tu aprendizaje te invito a ver los siguientes enlaces: Plate and frame heat exchangers;

y How a plate heat exchanger Works;

los intercambiadores de plato y aleta y los intercambiadores de tipo compabloc (ver los videos: Compabloc heat exchanger;

y los intercambiadores en espiral (ver video: Spiral heat exchangers:

Alternativas para mejorar el desempeño en el lado de la coraza en intercambiadores de tubo y coraza son los bafles en espiral (ver el video: Helical heat exchanger;

La dirección del flujo de los fluidos dentro de un intercambiador de calor se conoce como arreglo de flujo. Existen tres arreglos básicos y la combinación de ellos da origen a arreglos complejos. La Figura 5 muestra los arreglos de flujo más comunes.

Los arreglos diferentes al contracorriente se usan para atender diferentes situaciones, por ejemplo, cuando es necesario retirar una cantidad de calor de manera rápida, lo más conveniente es aprovechar un gradiente amplio de temperatura, por lo que el arreglo en paralelo es preferible; cuando no se puede modificar la dirección del flujo del fluido y se debe usar un flujo cruzado, por ejemplo en enfriadores de aire; cuando es necesario incrementar la velocidad de un fluido se utilizan arreglos con más de un paso.

Otro elemento de diseño es el número de corazas o de unidades en serie. Este recurso de diseño se usa para alcanzar la efectividad térmica cuando existen limitaciones por el tipo de arreglo. Para conocer más detalles, revisar el documento: Complex flow arrangements.

Conclusión

En conclusión, existe una gran variedad de tecnologías de intercambio de calor. Cada tecnología está diseñada para lograr el mejor desempeño en aplicaciones específicas. Las diferencias principales entre las tecnologías se encuentran en el tipo de fluidos que pueden manejar -líquidos, gases, fluidos viscosos, con alta tendencia al ensuciamiento, etc.- y las condiciones de temperatura y presión de operación. En esta sesión se presentó la ecuación general de diseño y se establecieron las bases para la implementación de una metodología de diseño. Los conceptos principales de esta clase son los siguientes:

• La capacidad para transferir calor en un intercambiador está determinada por la magnitud de los coeficientes de transferencia de calor de cada fluido.
• Los coeficientes de transferencia de calor dependen de la velocidad del fluido y este parámetro se puede variar en diseño mediante la selección del área seccional libre de flujo.
• La caída de presión impone un límite a la posibilidad de incrementar la velocidad del fluido para mejorar la transferencia de calor.
• Para una carga térmica determinada, existen diferentes diseños -representados por el área superficial de transferencia de calor- cada uno con una caída de presión diferente.
• La principal resistencia a la transferencia de calor en un equipo, sin considerar el ensuciamiento, es la que se presenta en la subcapa límite laminar, donde el mecanismo de transferencia de calor es por conducción a través del líquido.
• Los diseños de nuevas geometrías de intercambiadores de calor y el desarrollo de promotores de turbulencia para mejorar el desempeño térmico se basan en el principio de eliminación de la subcapa laminar.
• Un intercambiador de calor compacto es capaz de transmitir la carga térmica especificada en un volumen menor para la misma caída de presión.

¡Te felicito por concluir esta sesión! Procura realizar las lecturas y revisar los videos. Cuando hayas finalizado, deberás realizar la consigna de esta clase para que puedas afianzar tu aprendizaje. Te encuentro en tu próxima clase, hasta entonces.

Fuentes de información

• Archivo PDF: Heat exchangers (75 páginas)
• Archivo PDF: Design of heat exchangers (17 páginas)
• Archivo PDF: Heat transfer enhancement (25 páginas)
• Archivo PDF: Correction factor (3 páginas)
• Archivo PDF: Complex flow arrangements (20 páginas)