INTERCAMBIADOR DE CALOR

INTERCAMBIADOR DE CALOR

8

Curso: Termodinmica2013 INTERCAMBIADOR DE CALOR

INTERCAMBIADORES DE CALOR

I. AntecedenteLa trasferencia de calor es una de las operaciones unitarias de procesamiento de alimentos ms importantes. Casi todos los procesos requieren trasferencia de calor, ya sea en forma de entrada de calor o en forma de eliminacin del mismo, para modificar las caractersticas fsicas qumicas y biolgicas del producto.Durante el almacenamiento de frutas, verduras, carnes y productos lcteos se elimina calor a fin de que el producto se enfri y se conserve por un periodo largo. El calentamiento implica la destruccin de patgenos y otros microorganismos que causan el deterioro de los alimentos, para as hacer a estos seguros y estables por periodo de almacenamiento ms prolongados.

II. Marco Terico1. introduccin.-En los sistemas mecnicos, qumicos, nucleares y otros, ocurre que el calor debe ser transferido de un lugar a otro, o bien, de un fluido a otro. Los intercambiadores de calor son los dispositivos que permiten realizar dicha tarea. Un entendimiento bsico de los componentes mecnicos de los intercambiadores de calor es necesario para comprender cmo estos funcionan y operan para un adecuado desempeo.El objetivo de este trabajo es presentar los intercambiadores de calor como dispositivos que permiten remover calor de un punto a otro de manera especfica en una determinada aplicacin. Se presentan los tipos de intercambiadores de calor en funcin del flujo: flujo paralelo; contraflujo; flujo cruzado. Adems se analizan los tipos de intercambiadores de calor con base en su construccin: tubo y carcasa; placas, y se comparan estos. Se presentan tambin los intercambiadores de paso simple, de mltiples pasos, intercambiador de calor regenerador e intercambiador de calor no regenerativo. Al final se incluyen algunas de las posibles aplicaciones de los intercambiadores de calor.Como hemos mencionado, un intercambiador de calor es un componente que permite la transferencia de calor de un fluido (lquido o gas) a otro fluido. Entre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores de calor se encuentran las siguientes:

Calentar un fluido fro mediante un fluido con mayor temperatura. Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura. Llevar al punto de ebullicin a un fluido mediante un fluido con mayor temperatura. Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido fro. Llevar al punto de ebullicin a un fluido mientras se condensa un fluido gaseoso con mayor temperatura.

Debe quedar claro que la funcin de los intercambiadores de calor es la transferencia de calor, donde los fluidos involucrados deben estar a temperaturas diferentes. Se debe tener en mente que el calor slo se transfiere en una sola direccin, del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura. En los intercambiadores de calor los fluidos utilizados no estn en contacto entre ellos, el calor es transferido del fluido con mayor temperatura hacia el de menor temperatura al encontrarse ambos fluidos en contacto trmico con las paredes metlicas que los separan.

2. Tipo de intercambiadores de calor segn su operacin.-Ya que los intercambiadores de calor se presentan en muchas formas, tamaos, materiales de manufactura y modelos, estos son categorizados de acuerdo con caractersticas comunes. Una de las caractersticas comunes que se puede emplear es la direccin relativa que existe entre los dos flujos de fluido. Las tres categoras son: Flujo paralelo, Contraflujo y Flujo cruzado.

2.1. Flujo paralelo.Como se ilustra en la figura (1), existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de la carcaza ambos fluyen en la misma direccin. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura significativa. Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, la temperatura de los fluidos se aproxima la una a la otra, es decir que uno disminuye su temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio trmico entre ellos. Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido ms caliente.

Figure 1: Intercambiador de Flujo Paralelo

2.2. ContraflujoComo se ilustra en la figura (2), se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma direccin pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos Ya que el fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido ms fro se aproximar a al temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser ms eficiente que los otros dos tipos mencionados anteriormente. En contraste con el intercambiador de calor de flujo paralelo, el intercambiador de contraflujo puede presentar la temperatura ms alta en el fluido fro y la ms baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de calor en el intercambiador.

Figure 2: Intercambiador de Contraflujo

2.3. Flujo CruzadoEn la figura (3), se muestra como en el intercambiador de calor de flujo cruzado uno de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido, esto es, uno de los fluidos pasa a travs de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ngulo de 90 Los intercambiadores de flujo cruzado son comnmente usado donde uno de los fluidos presenta cambio de fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos fases bifsico.Un ejemplo tpico de este tipo de intercambiador es en los sistemas de condensacin de vapor, donde el vapor exhausto que sale de una turbina entra como flujo externo a la carcasa del condensador y el agua fra que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y ste se condensa y forma agua lquida. Se pueden condensar grandes volmenes de vapor de agua al utiliza este tipo de intercambiador de calor.

Figure 3: Intercambiador de Flujo Cruzado

En la actualidad, la mayora de los intercambiadores de calor no son puramente de flujo paralelo, contraflujo, o flujo cruzado; estos son comnmente una combinacin de los dos o tres tipos de intercambiador. Desde luego, un intercambiador de calor real que incluye dos, o los tres tipos de intercambio descritos anteriormente, resulta muy complicado de analizar. La razn de incluir la combinacin de varios tipos en uno solo, es maximizar la eficacia del intercambiador dentro de las restricciones propias del diseo, que son: tamao, costo, peso, eficacia requerida, tipo de fluidos, temperaturas y presiones de operacin, que permiten establecer la complejidad del intercambiador.

3. Tipo de intercambiadores de calor segn su construccin.-Si bien los intercambiadores de calor se presentan en una inimaginable variedad de formas y tamaos, la construccin de los intercambiadores est incluida en alguna de las dos siguientes categoras: carcasa y tubo, doble tubo (tubos concntricos) o plato. Como en cualquier dispositivo mecnico, cada uno de estos presenta ventajas o desventajas en su aplicacin.

3.1. Carcasa y TubosEstos tipos de intercambiadores se usan para servicios en los que se requieren grandes superficies de intercambio, generalmente asociadas a caudales muchos mayores de los que puede manejar un intercambiador de doble tubo. En efecto, el intercambiador de doble tubo requiere una gran cantidad de horquillas para manejar servicios como los descriptos, pero a expensas de un considerable consumo de espacio, y con aumento de la cantidad de uniones que son puntos dbiles porque en ellas la posibilidad de fugas es mayor. La solucin consiste en ubicar los tubos en un haz, rodeados por un tubo de gran dimetro denominado coraza. De este modo los puntos dbiles donde se pueden producir fugas, en las uniones del extremo de los tubos con la placa, estn contenidos en la coraza. En cambio en un conjunto de horquillas estos puntos estn al aire libre. En la figura (4) vemos un intercambiador de haz de tubos y coraza. Como se puede observar, el fluido que ha de circular en el interior de los tubos ingresa por el cabezal derecho y se distribuye por los orificios de la placa en el haz de tubos. El fluido de la coraza, en cambio, circula por el exterior del haz de tubos, siguiendo una trayectoria tortuosa por el efecto de las pantallas (bafles) o tabiques deflectores. A este intercambiador se lo denomina tipo 1-1, por tener un solo paso por la coraza y por los tubos. De tener dos pasos por los tubos y uno por la coraza se llamara tipo 2-1. El flujo en la coraza es casi perpendicular al haz de tubos. Las disposiciones del haz se pueden observar en el siguiente esquema.

Figura 4: Intercambiador de calor de carcasa y tubos

3.2. Doble tuboEl intercambiador de doble tubo es el tipo ms simple que se puede encontrar de tubos rectos. Bsicamente consiste en dos tubos concntricos, lisos o aletados. Normalmente el fluido fro se coloca en el espacio anular, y el fluido clido va en el interior del tubo interno. La disposicin geomtrica es la siguiente:

Figura 5: Intercambiador de calor tipo Doble tubos

El intercambiador est formado por varias unidades como las mostradas en el esquema. Cada una de ellas se llama "horquilla" y se arma con tubo roscado o bridado comn y corriente. Las uniones tambin pueden ser soldadas, pero esto no es habitual pues dificulta el armado y desarmado para su limpieza. El flujo en este tipo y similares es a contracorriente pura, excepto cuando hay caudales grandes que demandan un arreglo en serie-paralelo. El flujo en contracorriente pura resulta en hasta un 20% ms de intercambio comparado con el arreglo en equicorrientes de modo que si se manejan corrientes pequeas este equipo es el mejor, y tambin el ms econmico. Las longitudes de horquilla mximas son del orden de 18 a 20 pies. Si se usan largos no soportados mayo- res, el tubo interno se dobla y distorsiona el espacio anular, causando mala distribucin del flujo en el mismo debido a su excentricidad y disminuyendo el coeficiente global. Veamos algunas de sus ventajas. Son flexibles, fciles de armar y mantener. La cantidad de superficie til de intercambio es fcil de modificar para adaptar el intercambiador a cambios en las condiciones de operacin, simplemente conectando mas horquillas o anulndolas; desconectarlas lleva minutos. Se modifican en poco tiempo, con materiales abundantes en cualquier taller. No requieren mano de obra especializada para el armado y mantenimiento. Los repuestos son fcilmente intercambiables y obtenibles en corto tiempo. Algunas de sus aplicaciones: cuando un fluido es un gas, o un lquido viscoso, o su caudal es pequeo, mientras el otro es un lquido de baja viscosidad, o con alto caudal. Son adecuados para servicios con corrientes de alto ensuciamiento, con lodos sedimentables o slidos o alquitranes por la facilidad con que se limpian. Si hay una buena respuesta a la limpieza qumica o los fluidos no ensucian, las uniones pueden ser soldadas para resistir altas presiones de operacin. Son bastante comunes en procesos frigorficos.

3.3. PlatoEl intercambiador de calor de tipo plato, como se muestra en la figura (6), consiste de placas en lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y fro Los lquidos calientes y fros se alternan entre cada uno de las placas y los bafles dirigen el flujo del lquido entre las placas. Ya que cada una de las placas tiene un rea superficial muy grande, las placas proveen un rea extremadamente grande de transferencia de trmica a cada uno de los lquidos .Por lo tanto, un intercambiador de placa es capaz de transferir mucho ms calor con respecto a un intercambiador de carcasa y tubos con volumen semejante, esto es debido a que las placas proporcionan una mayor rea que la de los tubos. El intercambiador de calor de plato, debido a la alta eficacia en la transferencia de calor, es mucho ms pequeo que el de carcasa y tubos para la misma capacidad de intercambio de calor.Sin embargo, el tipo de intercambiadores de placa no se utiliza extensamente debido a la inhabilidad de sellar confiablemente las juntas entre cada una de las placas. Debido a este problema, el tipo intercambiador de la placa se ha utilizado solamente para aplicaciones donde la presin es pequea o no muy alta, por ejemplo en los refrigeradores de aceite para mquinas. Actualmente se cuentan importantes avances que han mejorado el diseo de las juntas y sellos, as como el diseo total del intercambiador de placa, esto ha permitido algunos usos a gran escala de este tipo de intercambiador de calor. As, es ms comn que cuando se renuevan viejas instalaciones o se construyen nuevas instalaciones el intercambiador de la placa est substituyendo paulatinamente a los intercambiadores de carcaza y tubo.

Figura 6: Intercambiador de calor del tipo Plato

4. Funcionamiento de los intercambiadores de calor.-

2013

Curso: Termodinmica