Balanceo Termico de un intercambiador de calorEliezer Aldana Martnez Miguel ngel Barba Bautista Eduardo Cabrera Garca Ricardo Dela fuente Xochitiotzin

Ecuacion fundamental de la trasferencia de calor

COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TRMICA GLOBAL

Una de las primeras cuestiones a realizar en el anlisis trmico de un intercambiador de calor de carcasa y tubos consiste en evaluar el coeficiente de transferencia trmica global entre las dos corrientes fluidas. El coeficiente de transferencia trmica global entre un fluido caliente a temperatura TC y otro fro a temperatura TF separados por una pared plana se define mediante la ecuacin:

COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TRMICA GLOBAL

En el caso de un intercambiador de calor formado por dos tubos concntricos, el rea de la superficie de intercambio trmico es:Interior: Ai = 2 riLExterior: Ae = 2 reLde forma que, en general:

COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TRMICA GLOBAL

Si el coeficiente de transferencia trmica global viene referido a la superficie exterior Ae el valor de Ue ser:

mientras que si viene referido a la superficie interior Ai ser:

FACTORES DE SUCIEDADCon frecuencia resulta imposible predecir el coeficiente de transferencia de calor global de un intercambiador de calor al cabo de un cierto tiempo de funcionamiento, teniendo slo en cuenta el anlisis trmico; durante el funcionamiento con la mayora de los lquidos y con algunos gases, se van produciendo gradualmente unas pelculas de suciedad sobre la superficie en la que se realiza la transferencia trmica, que pueden ser de xidos, incrustaciones calizas procedentes de la caldera, lodos, carbonilla u otros precipitados, el efecto que sta suciedad origina se conoce con el nombre de incrustaciones, y provoca un aumento de la resistencia trmica del sistema.

Transmisin de calor entre la cmara de combustin y el agua de una caldera con incrustaciones calcreasLa resistencia trmica del depsito se puede determinar, generalmente, a partir de ensayos reales o de la experiencia.

Factores de resistencia por ensuciamiento normales

Tipo de fluidoRequiv (m2K/W)Agua de mar por debajo de 325K0,0009Agua de mar por encima de 325K0,0003Agua de alimentacin de calderas por encima de 325K0,0005Agua de ro0,001-0,004Agua condensada en un ciclo cerrado0,0005Agua de torre de refrigeracin tratada0,001-0,002Gasleo ligero0,0020Gasleo pesado0,0030Asfalto0,0050Gasolina0,0010Queroseno 0,0010Soluciones custicas0,0020Fluido hidrulico0,0010Sales fundidas0,0005Gases de escape de un motor0,010Aceite combustible0,0050Aceites vegetales0,0030Vapores de alcohol0,0001Vapor, cojinetes sin aceite0,0005Vapor, con aceite0,0010Vapores refrigerantes, con aceite0,0020Aire comprimido0,0010Lquido refrigerante0,0010

Si se realizan ensayos de rendimiento en un intercambiador limpio y se repiten despus de que el aparato haya estado en servicio durante algn tiempo, se puede determinar la resistencia trmica del depsito (o factor de incrustacin) RSuc mediante la relacin:

Siendo

La expresin del coeficiente global de transmisin de calor UFunc en funcionamiento al cabo de un tiempo, referida a la seccin exterior Ae es:

en la que:

Ulimpio es el coeficiente global de transmisin de calor del intercambiador limpio, respecto a la seccin exteriorUsuc. es el coeficiente global de transmisin de calor del intercambiador despus de producirse el depsitohce es el coeficiente de conveccin medio del fluido en el exterior del tubohci es el coeficiente de conveccin medio del fluido en el interior del tuboRe es la resistencia unitaria del depsito de suciedad en el exterior del tuboRi es la resistencia unitaria del depsito de suciedad en el interior del tuboRequiv es la resistencia unitaria del tubo, en la que no se han considerado los depsitos de suciedad interior y exterior, y el material del tubo, en m2K/W, basada en el rea de la superficie exterior del tubo.

TRANSMISIN DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO, A TEMPERATURAS VARIABLES, A TRAVS DE UNA PARED

Para determinar la transferencia de calor por unidad de tiempo, y admitiendo que el calor cedido por un fluido es totalmente absorbido por el otro, (no hay prdidas trmicas), se puede hacer el siguiente balance de energa:

Si se toma a ambos lados de la pared un elemento de superficie dA, en una misma seccin transversal se puede suponer que ambos fluidos toman las temperaturas TC y TF en estos elementos diferenciales.Haciendo T = TC - TF es evidente que la cantidad de calor que pasar del fluido caliente al fluido fro, por unidad de tiempo es:

Distribucin de temperaturas en intercambiadores de calorcon flujos en contracorriente y de un solo paso de tubos

FACTOR DE CORRECCIN DE LA (LMTD).-

La diferencia de temperatura media logartmica (LMTD)

Cuando se tienen intercambiadores muy complejos, como los montajes en carcasa y tubos, con varios pasos de tubos por cada carcasa, o varias carcasas, y en el caso de intercambiadores de flujo cruzado, la deduccin analtica de una expresin para la diferencia media de temperaturas resulta muy compleja.

DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARITMICACalculamos la transferencia de calor en el arreglo de doble tubo con:

DondeU coeficiente total de transferencia de calorA rea de superficie para transferencia de calor consistente con la definicin de UTm diferencia de temperatura media conveniente a travs del intercambiador de calor

La expresin anterior se simplifica utilizando las siguientes relaciones adimensionales:Coeficiente de efectividad:

Relacin de capacidades trmicas:

que permiten obtener la diferencia media de la temperatura como una funcin de F(P,Z).

FACTOR DE CORRECCIN DE LA (LMTD) PARA ALGUNOS INTERCAMBIADORES

Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador en contracorriente (1-2), o un mltiplo par de pasos de tubos

Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador (1-3), con dos de los pasos en contracorriente

Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador en contracorriente (2-4)y un mltiplo par de pasos de tubos

Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador (3-2), o un mltiplo par de pasos de tubos

Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador (4-2), o un mltiplo par de pasos de tubos

Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador (6-2), o un mltiplo par de pasos de tubos

Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador de flujos cruzados,con mezcla de un fluido en la parte de la carcasa y sin mezcla del otro fluido, y un paso de tubos

Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador de flujos cruzados,con mezcla de ambos fluidos y un paso de tubos

Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador de flujos cruzados,con mezcla de un fluido en la parte de la carcasa y sin mezcla del otro fluido, y un mltiplo de 2 pasos de tubos

Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador de flujos cruzados,con mezcla de un fluido en la parte de la carcasa y sin mezcla del otro fluido, y un mltiplo de 2 pasos de tubos