Introducción a Equipo de Transferencia de Calor

INTRODUCCIÓN

La transferencia de calor hacia y desde los procesos de fluidos es una parte esencial de los procesos químicos.

El equipo más común de transferencia de calores el intercambiador de tubo y coraza.

Figura 1: Ejemplo de intercambiador de tubo y coraza.

Los principales tipos de intercambiadores de calor utilizados en los procesos químicos y las industrias afín, son:

1. Intercambiador de doble tubo: el tipo más simple, utilizado para refrigeración y calefacción.
2. Intercambiadores de tubo y coraza: utilizados para todas las aplicaciones.
3. Intercambiadores de placa y marco (intercambiadores de calor de placas): se utilizan para calentar y enfriar.
4. Intercambiadores de placa-aleta.
5. Intercambiadores de calor en espiral.
6. Refrigerado por aire: refrigeradores y condensadores.
7. Contacto directo: enfriamiento y enfriamiento.
8. Vasos agitados.
9. Calentadores de fuego.

La ecuación general para la transferencia de calor a través de una superficie es:

Para el intercambio de calor a través de un intercambiador de calor de tubo típico, la relación entre el coeficiente global y los coeficientes individuales, que son los recíprocos de las resistencias individuales, viene dada por:

Donde:

·        U_o=el coeficiente total basado en el área exterior del tubo

·        h_o=Coeficiente de convección de fluido externo

·        h_i= Coeficiente de convección fluido interno

·        h_od=coeficiente de ensuciamiento externo

·        h_id= coeficiente de ensuciamiento interno

·        K_w= conductividad térmica del material de la pared del tubo

·        d_i= diámetro interno del tubo

·        d_o=diámetro externo del tubo

Como el diseño físico del intercambiador no puede determinarse hasta que se conoce el área, el diseño de un intercambiador es necesariamente un procedimiento de prueba y error. Los pasos en un procedimiento de diseño típico se dan a continuación:

1. Definir la función: tasa de transferencia de calor, tasas de flujo de fluido, temperaturas.
2. Reúnan las propiedades físicas del fluido requeridas: densidad, viscosidad, conductividad térmica.
3. Decida el tipo de intercambiador que se utilizará.
4. Seleccione un valor de prueba para el coeficiente global, U.
5. Calcule la diferencia de temperatura media.
6. Calcule el área requerida con la ecuación:
   
7. Decida el diseño del intercambiador.
8. Calcule los coeficientes individuales.
9. Calcule el coeficiente general y compárelo con el valor de prueba. Si el calculado valor difiere significativamente del valor estimado, sustituir el calculado por el valor estimado y regresar al paso 6.
10. Calcule la caída de presión del intercambiador; si es insatisfactorio, vuelva a los pasos 7 o 4 o 3, en ese orden de preferencia.
11. Optimice el diseño: repita los pasos 4 a 10, según sea necesario, para determinar el intercambiador más económico que satisfaga el deber. Por lo general, este será el que tenga el área más pequeña.

COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Valores típicos del coeficiente global de transferencia de calor se dan en la siguiente tabla 1 y figura 2.

Los valores dados se pueden usar calcular el tamaño preliminar del equipo.

Tabla 1: Valores típicos del coeficiente global de transferencia de calor en función de los fluidos utilizados para un intercambiador de tubo y coraza.

Figura 2: Estimación de coeficiente global de transferencia de calor.

FACTOR DE ENSUCIAMIENTO

Muchos fluidos generaran ensuciamiento en las superficies del intercambiador de calor. Los factores de ensuciamiento se expresan como resistencias a la transferencia de calor en lugar de coeficientes. La selección del coeficiente de ensuciamiento de diseño normalmente es una decisión económica.

Tabla 2: factores de ensuciamiento de fluidos mas comunes para diseño de intercambiadores de calor.