Intercambiador de calor

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre 2 fluidos o entre un fluido y un sólido que está en contacto con dos fluidos.^[1]​ Son elementos fundamentales en los sistemas de calefacción, refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía, procesamiento químico, además de en aparatos de la vida cotidiana como calentadores, frigoríficos, calderas, ordenadores, el radiador del motor de un automóvil, etc.

La clasificación más común de los intercambiadores es atendiendo al grado de contacto entre los fluidos. Así, se distinguen los siguientes tipos:

El intercambiador más simple y en el que mejor se puede apreciar el intercambio en equicorriente o en contracorriente es el conocido como de «tubo en tubo» o de «tubos concéntricos», que como su nombre indica, consiste en un tubo dentro de otro de mayor diámetro y todo ello con una longitud L. Sin embargo, con este tipo de intercambiador, con potencias no demasiado grandes se requiere una gran longitud para obtener la superficie de intercambio necesaria, por lo que no es demasiado utilizado, salvo para muy pequeñas potencias, en lo que se conoce también como «tuberías de acompañamiento».^[2]​ En la elaboración del vino, teniendo en cuenta las temperaturas a las que se trabaja, normalmente entre 14 y 38 °C, las potencias de intercambio no suelen ser elevadas y se utilizan también intercambiadores concéntricos, construidos en acero inoxidable y de un tamaño considerable a pesar de la poca potencia.^[3]​

Sin duda el intercambiador más utilizado durante muchos años y que ha servido de referencia en la teoría de intercambiadores, es el intercambiador multitubular o de «carcasa y tubos».

En los intercambiadores de calor se dan dos tipos de cálculo: el de diseño y el de comprobación. Los cálculos de comprobación se realizan cuando se tiene el intercambiador o se conoce su superficie de intercambio, pero es necesario hallar la cantidad de calor transmitido o las temperaturas finales de los fluidos de trabajo. En este caso, por sencillez y rapidez, se utiliza el método NUT.

El cálculo para diseño de intercambiadores se describe a continuación y consiste en hallar las soluciones simultáneas de las ecuaciones del balance de calor y transmisión de calor, para determinar las dimensiones y formato del aparato.

En un intercambiador, las temperaturas de los fluidos se van modificando a medida que recorren la longitud L del aparato, por lo que en cada punto, existe un coeficiente de película distinto y por tanto, un coeficiente global de transmisión distinto. Si representamos en unas coordenadas cartesianas, en el eje de abscisas la longitud L del intercambiador y en el de ordenadas las temperaturas (t), obtenemos la curva de distribución de temperaturas a lo largo del intercambiador, que como se ve en la figura, es una curva logarítmica, por lo que la ecuación de transmisión usada para el cálculo es:

Donde ${displaystyle k}$ es el coeficiente de transmisión global de la pared, ${displaystyle S}$ es la superficie de la misma y ${displaystyle Delta t_{ m {mlog}}}$ es la diferencia de temperatura media logarítmica, que se calcula:

En la que ${displaystyle Delta t_{1}}$ y ${displaystyle Delta t_{2}}$ son las diferencias de temperatura a la entrada y a la salida del cambiador, tal como se indica en la figura.

El coeficiente de transmisión se calcula:

Para pared plana

Para pared cilíndrica

en las que ${displaystyle h_{i}}$ y ${displaystyle h_{e}}$ son los coeficientes de película de la pared interior y exterior del tubo interno y ${displaystyle r_{i}}$ y ${displaystyle r_{e}}$ los radios interior y exterior del mismo tubo.

Junto con la ecuación de transmisión se usa el balance de calor, según el cual; el calor cedido por el fluido caliente ha de ser igual al absorbido por el fluido frío:

En la que los subíndices corresponden: ${displaystyle e=}$ entrada, ${displaystyle s=}$ salida, ${displaystyle fc=}$ fluido caliente y ${displaystyle ff=}$ fluido frío.

Con ambas ecuaciones, conocidas las condiciones de los fluidos a intercambiar, se puede determinar la superficie S de intercambio y con ella la longitud de tubo, de un diámetro determinado, necesaria para la potencia a intercambiar.

En el caso del intercambiador en equicorriente, la temperatura de salida del fluido frío, no puede alcanzar nunca la temperatura de salida del fluido caliente, puesto que siempre es necesaria una diferencia de temperaturas para que el intercambio tenga lugar. Sin embargo, en el intercambiador en contracorriente, el gradiente de temperaturas que se origina como consecuencia de la forma en que se produce el intercambio, permite que la temperatura de salida del fluido frío pueda superar la temperatura de salida del fluido caliente, lo que se traduce a su vez, en mayor intercambio térmico para la misma superficie de intercambio y por tanto, mayor rendimiento. En el gráfico se puede observar esta característica.^[4]​

El Coeficiente global de transmisión de calor es la relación entre la derivada de flujo de calor con respecto al área de intercambio y la diferencia de temperatura local entre las masas globales de fluidos. Si el coeficiente global es externo es la razón entre el flujo de calor intercambiado y el producto entre el Área de intercambio exterior con la Diferencia de temperatura logarítmica. Si el coeficiente global es interno es la razón entre el flujo de calor intercambiado y el producto entre el Área de intercambio interior con la diferencia de temperatura logarítmica. Incorpora todas las resistencias debido a los fenómenos de conducción, convección y radiación. También se define un coeficiente global promedio que es la inversa de las resistencias mencionadas. En las tablas de datos aparecen solamente los coeficientes globales promedios porque no se puede calcular los relativos debido a la multiplicidad de áreas de intercambiadores que hay.

En el cálculo anterior, se ha supuesto que las superficies de los intercambiadores se mantienen limpias, sin embargo, en la práctica es muy frecuente que estas superficies se encuentren contaminadas debido; a la posible suciedad de los propios fluidos, a posibles subproductos formados por envejecimiento o por reacciones químicas entre superficie y fluido, a la corrosión de la superficie o incluso a otros materiales arrastrados por los fluidos como consecuencia de la circulación de los mismos por otras partes de la máquina. En cualquier caso, lo que ocurre es que después de un cierto tiempo de circulación del fluido, acaba por depositarse sobre la superficie de los tubos una película de impurezas, que actúa como aislante térmico y disminuye la cantidad de calor intercambiado.

Esto influye en gran manera en el cálculo del coeficiente global de transmisión de calor, debiendo introducirse en el cálculo una resistencia térmica de ensuciamiento, conocida como factor de ensuciamiento o factor de incrustación.^[5]​ El coeficiente global de transmisión queda entonces:

En la que ${displaystyle f_{e}}$ es el factor de ensuciamiento cuyo valor vendría dado por el cociente entre el espesor de la capa de incrustación y la conductividad del material depositado.^[6]​ En la práctica es difícil estimar este valor y se puede fijar a partir de tablas en las que están tabulados los valores correspondientes a los fluidos más utilizados. Actualmente, para dar solución a estos problemas y aumentar el rendimiento, se diseñan los llamados intercambiadores dinámicos de superficie rascada.

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