CAPITULO II MARCO METODOLOGICO
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CAPITULO II
MARCO METODOLOGICO
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CAPÍTULO II
MARCO TEÓRIO
El marco teórico comprende la revisión y el análisis de las
investigaciones así como de los antecedentes sobre el objeto de la
investigación para orientar su desarrollo, lo cual permite tener una
visión completa de las relaciones más significativas entre las teorías.
(Hernández, y otros (2006).
De esta forma, en la elaboración de este capítulo, se considera, se
expone y analiza los distintos criterios de reconocidos autores,
mostrando una visión del problema asumido en la investigación y
ofrecer una perspectiva teórica, la cual se encuentra integrada por los
diferentes estudios relacionados con la evaluación de los
intercambiadores de calor de flujo cruzado así como por los
antecedentes referidos al problema de investigación.
1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
Se presentan algunos estudios realizados en el área,
específicamente los referidos a los factores termodinámicos, sistema de
evaluación de los intercambiadores de calor, los cuales arrojan
importantes conclusiones que sirven para guiar el presente trabajo de
investigación. En función de ello, se reseñan los aspectos más
resaltantes de los mismos. F
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Álvarez (2011) realizó un trabajo titulado “Evaluación del sistema de
intercambiadores de calor del residuo no convertido del proyecto conversión
profunda de la refinaría Puerto la Cruz”, en la Universidad de Oriente la
misma se refiere a la reproducción de las condiciones de diseño de los
intercambiadores de calor de la unidades 79, 80 y 82 empleando el programa
de HTRI.
En la referida investigación, se analizó el requerimiento energético de la
red de intercambiadores de calor de estas unidades en los escenarios
seleccionados y se elaboraron propuestas de intercambiadores de calor de
doble tubo de horquilla convencionales y diseño de intercambiadores de
calor de placas en espiral empleando el programa HTRI.
Dicho estudio genera aportes importantes por cuanto nos permite tener
las herramientas necesarias para determinar la eficiencia técnica como su
eficiencia mecánica no solo en el requerimiento energético de los
intercambiadores de calor si no en su optimo funcionamiento.
Por otro lado, Hernández (2005), realizó un estudio titulado “Evaluación de
la Eficiencia del Intercambiador de Calor E-6025 en el Enfriamiento del Agua
Proveniente del Proceso de Desalación de Crudo de la Refinería el Palito.
Estado Carabobo”, en la I.U.T.A.
La investigación fue de tipo aplicada y explicativa, bajo un diseño
experimental y de campo. Para el proceso de recolección de datos, se
utilizan como técnicas las entrevista y la observación directa y como
instrumento un cuestionario de preguntas cerradas aplicado a una muestra
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de 19 trabajadores y una lista de cotejo y de especificaciones aplicada a un
(1) intercambiador de calor.
En la investigación, se concluye que, el intercambiador E-6025 no está
operando acorde a las especificaciones de diseño para el cual fue hecho,
debido a las incrustaciones que conllevan a diferentes problemas, por lo cual
se hace necesario evaluar la eficiencia del mismo para así aumentar su
capacidad operativa dentro de las unidades en el cual está incorporado.
Dicha investigación proporciona como aporte, las definiciones concretas
de los factores termodinámicos que influyen en el correcto funcionamiento de
un intercambiador de calor así como es el comportamiento de un
intercambiador de calor así como es el comportamiento de los fluidos en
dicho intercambiador.
Así mismo, Martínez y otros (2004), llevaron a cabo una investigación
titulada “Evaluación de intercambiadores de calor compactos de tubos
aletados” en la Universidad de Guanajuato. La investigación estuvo dirigida a
realizar un análisis térmico teórico de un intercambiador de calor
compactado, con y sin condensación de agua en el lado del aire.
El fenómeno de la condensación del vapor de agua en la corriente de aire
entrante produce una película de agua en la superficie cubriéndola en forma
parcial o completa. El análisis considera varias configuraciones geométricas
con respecto a la superficie de las aletas y a la forma de los tubos
considerando la forma circular tradicional y también un caso para tubos
planos.
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Los resultados obtenidos reflejan la eficiencia de la aletada en ambos
casos una aleta totalmente seca (sin condensación) y a una totalmente
húmeda es decir, totalmente cubierta por la película de condensado. Se
concluye que la metodología propuesta es una buena alternativa de análisis
y caracterización de un intercambiador, ya que los resultados obtenidos
coinciden con los reportados en la literatura.
La investigación reseñada aporta información de gran importancia para la
elaboración de las bases teóricas, aunque la misma difiere en el tipo de
intercambiador evaluado. Así mismo aporta el funcionamiento de los
intercambiadores de calor y sus variables (temperatura, presión y volumen),
además se analizan los tipos de intercambiadores de calor con base en su
construcción tubo, carcaza y placas.
Finalmente, Alarcón (2000), realizó una investigación titulada “Diseño
computarizado de intercambiadores de calor bajo ambiente Windows” en la
Universidad Central de Venezuela. La investigación estuvo dirigida a elaborar
un programa en ambiente Windows que permitiera diseñar dos de los tipos
de intercambiadores de calor más usados en la industria: los
intercambiadores de carcasa y tubos (STHE) y los intercambiadores de
placas (PHE).
Dicho programa constituye una herramienta rápida y de fácil manejo al
momento de realizar el diseño de uno de estos tipos de intercambiadores
para un proceso dado, permite establecer comparaciones rápidas entre
diferentes configuraciones a fin seleccionar el equipo más adecuado y
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proporciona una valiosa ayuda al momento de evaluar el comportamiento de
intercambiadores ya existentes. Incluso en el campo didáctico, constituye
una herramienta útil para la enseñanza del diseño, funcionamiento y
evaluación de dichos intercambiadores de carcasa y tubos o de
intercambiadores de placa.
La investigación referida aporta información relevante sobre los factores
de operación de un intercambiador de calor entre los cuales se encuentran
las velocidades de flujo, propiedades termodinámicas, temperatura, de
entrada y salida de los flujos calientes y fríos, área de superficie disponible
para la transferencia de calor, caídas de presión, conductividad térmica del
material del tubo, factores de ensuciamiento y los coeficientes covectivos en
las superficies externas e internas de los tubos. Usualmente, el efecto de las
cuatro últimas cantidades se combina en una sola variable, denominada
coeficiente global de transferencia de calor.
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2. BASES TEÓRICAS
El soporte teórico de esta investigación está basado en los diferentes
aportes realizados por los diferentes como Cengel (2000), Foust (2002),
McCabe (2002), entre otros; donde se incluyen los elementos conceptuales
que permiten definir la variable de estudio entre las cuales se consideran los
siguientes aspectos: Intercambiadores de calor, transferencia de calor, entre
otros.
2.1. EVALUACION
Proceso que tiene como finalidad determinar el grado de eficacia y
eficiencia, con que han sido empleados los recursos destinados a alcanzar
los objetivos previstos, posibilitando la determinación de las desviaciones y la
adopción de medidas correctivas que garanticen el cumplimiento adecuado
de las metas presupuestadas. Se aplica ex ante (antes de), concomitante
(durante), y ex post (después de) de las actividades desarrolladas.
En la planeación es el conjunto de actividades, que permiten valorar
cuantitativa y cualitativamente los resultados de la ejecución del Plan
Nacional de Desarrollo y los Programas de Mediano Plazo en un lapso
determinado, así como el funcionamiento del propio Sistema Nacional de
Planeación. El periodo normal para llevar a cabo una evaluación es de un
año después de la aplicación de cada Programa Operativo Anual. Fase del
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proceso administrativo que hace posible medir en forma permanente el
avance y los resultados de los programas, para prevenir desviaciones y
aplicar correctivos cuando sea necesario, con el objeto de retroalimentar la
formulación e instrumentación
2.2. TRANSFERENCIA DE CALOR
Según lo señalado por el autor Cengel (2000 p.155). La energía puede
cruzar la contera de un sistema cerrado en dos formas distintas: calor y
trabajo. Es importante distinguir entre dos formas de energía. La experiencia
permite saber que una lata de refrescó fría dejada sobre una mesa tomara la
temperatura ambiente a la larga y que y que una papa cocida caliente sobre
la misma mesa se enfriara. Cuando un cuerpo se deja en un medio con
temperatura diferente, la transferencia de energía seduce entre el cuerpo y
los alrededores hasta que se establece el equilibrio térmico, esto es, él,
cuerpo y los alrededores alcanzan la misma temperatura.
La dirección de la transferencia de energía siempre es el del cuerpo de
temperatura más alta al de la temperatura más baja. Una vez que la igualdad
de temperatura se establece, termina la transferencia de energía. En el
proceso descrito se afirma que la energía se ha transferido en la forma de
calor.
El calor se define como la forma de energía que se trasfiere entre dos
sistemas (o un sistema y sus alrededores) debido a una transferencia de
temperatura. Es decir, una interacción de energía es calor solo si ocurre
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debido a una diferencia de temperatura. De ello se deduce que no hay
ninguna transferencia de calor entre dos sistemas que se encuentran en la
misma temperatura. En la vida diaria se hace referencia a las formas
sensibles y latentes de la energía térmica como calor y se hable del
contenido de calor de los cuerpos.
Cabe destacar que , varias frases que actualmente son uso común como
flujo de calor, adicción de calor, rechazo de calor, adsorción de calor,
remoción de calor, ganancia de calor, calentamiento eléctrico, calentamiento
por resistencia, calentamiento por fricción, calentamiento de gas, calor de
reacción, liberación de calor, calor especifico, calor sensible, calor latente,
calor de desecho, calor de cuerpo, calor de proceso, sumidero de calor y
fuente de calor, no son consistentes con el significado termodinámico estricto
del término calor, que limita su uso a la transferencia de energía térmica
durante un proceso.
Sin embargo, estas frases tan arraigadas en el vocabulario, las emplean
tanto la gente legal como los científicos sin que haya ningún malentendido,
ya que suelen interpretarse en su sentido apropiado en lugar de tomarse
literalmente.
Por ejemplo, se entiende que la frase calor del cuerpo significa el
contenido de energía térmica de un cuerpo. Del mismo modo, por flujo de
una sustancia similar a un fluido llamado calor, aunque esta última
interpretación, incorrecta, en que se basa la teoría calorífica es el origen de
esta frase. Así mismo la transferencia hacia fuera de un sistema como
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rechazo de calor. Tal vez existan calor por energía térmica: requiere menos
tiempo y energía es decir, escribir y entender el término calor que el tiempo
energía térmica.
El calor es energía en transición, que se conoce solo cruza la frontera de
un sistema. Considere una vez más la papa horneada caliente. La papa
contiene energía, pero esta energía se convierte en transferencia de calor
solo cuando cruza la cáscara de la papa (la frontera del sistema) para
alcanzar el aire una vez en los alrededores, el calor trasferido se vuelve parte
de la energía interna de los alrededores. De modo que el término calor
significa, simplemente, transferencia de calor.
Un proceso donde no hay transferencia de calor se denomina proceso
adiabático. El término adiabático proviene de la palabra griega adiabatos que
significa que no debe pararse. Existen dos maneras en las que un proceso
puede ser adiabático: el sistema está bien aislado de modo que solo una
cantidad despreciable de calor cruza la frontera, o tanto el sistema como los
alrededores tiene la misma temperatura y por eso no hay fuerza impulsora
(diferencia de temperatura) para la transferencia de calor. Un proceso
adiabático no debe confundirse con un proceso isotérmico.
Aunque no hay transferencia de calor durante el proceso adiabático, otros
medios como el trabajo, pueden cambiar el contenido de energía y en
consecuencia la temperatura de un sistema. Como una forma de energía, el
calor tiene unidades de energía, siendo el Kj o BTU la más común. La
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cantidad de calor transferida durante el proceso entre dos estados (estado 1,
estado2), expresa por medio de o solo .
2.3. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Según lo señalado por McCabe (2004.p. 296) la transferencia de calor se
realiza por tres mecanismos: conducción, convección y radiación. Todos
ellos requieren de la existencia de una diferencia de temperatura y ocurren
de un medio de alta temperatura a uno de temperatura menor.
En cuanto a la conducción es la transferencia de energía de las partículas
más energéticas de una sustancia a las adyacentes menos energéticas,
debido a las interacciones ente ellas. La conducción puede tener lugar en
sólido, líquido y en gases. En los gases y en los líquidos, la conducción se
debe a las colisiones entre las moléculas durante su movimiento aleatorio.
En los sólidos se debe a la combinación de las vibraciones de las moléculas
de una estructura y la energía transportadora por electrones libres.
Por ejemplo, una bebida fría enlatada que está en una habitación caliente
se calentara, a medida que pase el tiempo, hasta que llegue a temperatura
ambiente, esto se debe a que el calor de la habitación se transfiere a la
bebida a través del aluminio por conducción de calor, a través de una
capa de espesos , es proporcional a la diferencia de temperatura , a
través de la capa y el través de la capa y al aérea , normal a la dirección
de la transferencia de calor, e inversamente proporcional al espesor de la
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capa por tanto:
(Ecuación 1)
Durante la constante de responsabilidad , es la conductividad térmica
del material, que es una medida de la capacidad de un material para
conducir calor. Materiales como el cobre y la plata, que son buenos
conductores eléctricos, también son conductores de calor y, en
consecuencia, tiene valores altos de los materiales como el caucho, la
madera y el unicel son malos conductores de calor por ello tiene valores
bajos de .
En el caso de la ecuación anterior se reduce a la forma diferencial, la
cual se conoce como ley de Fourier de la conducción de calor. Indica que la
tasa de conducción de calor en una dirección es proporcional al gradiente de
temperatura es esa dirección. El calor se conduce en la dirección decreciente
de la temperatura y el gradiente de temperatura se vuelve negativo cuando la
temperatura disminuye al aumentar . Por consiguiente, se añade un signo
negativo a la ecuación para hacer la transferencia la transferencia térmica
una cantidad positiva en la dirección de la positiva.
La temperatura es una medida de la energía cinética de las moléculas. En
un líquido o gas, la energía cinética se debe a su movimiento aleatorio, así
como a los movimientos vibratorios y rotacionales. Cuando dos moléculas
que posees diferente energía cinética choca, parte de la energía cinética de
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molécula mas energética (mayor temperatura) se transfieren. A la partícula
menos energética (menor temperatura), de muy similar a lo que sucede en el
choque a diferentes velocidades de dos bolas elásticas de la misma masa,
cuando parte de la energía cinética de la más rápida se transfiere a la más
lenta.
En los sólidos la conducción de calor se debe a dos efectos: por las ondas
vibratorias de la estructura inducida por movimientos vibratorios provenientes
de las moléculas situadas en posiciones relativamente fijas, en una forma
periódica llamada red cristalina, y por la energía transportadora mediante el
flujo libre de los electrones en los sólidos. La conductividad térmica en
metales puros se debe primordialmente al componente eléctrico, en tanto
que la conductividad térmica de no metales se debe al componente de la
estructura.
El componente de la estructura de la conductividad térmica depende de
gran parte de cómo están acomodadas las moléculas. Por ejemplo la
conductividad térmica del diamante, que es un sólido cristalino altamente
ordenado, es mucho más alta que las conductividades térmicas de metales
puros
Por su parte, la convección es él es el modo de transferencia de energía
entre una superficie y sólida y un liquido o gas adyacentes que está en
movimiento, e involucra los efectos combinados de la conducción y del
movimiento de un fluido, la transferencia de calor por convección. Ante la
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ausencia de cualquier movimiento del fluido, la trasferencia de calor entre
una superficie sólida y el fluido adyacente se da mediante conducción pura.
La presencia de movimiento volumétrico en el fluido incrementa la
transferencia térmica entre la superficie sólida y el fluido, pero también
complica la determinación de las tazas de transferencia de calor.
Cabe destacar que , la convección se llama convección forzada cuando el
fluido es forzado a fluir en un tubo sobre una superficie por medios externos
como un ventilador, una bomba o el viento. En contraste la convección se
llama libre (o natural) si el movimiento del fluido es provocado por las fuerzas
de flotación inducidas por las diferencias de densidad, producido de la
variación de la temperatura en fluido. Los procesos de trans ferencia de calor
que incluyen el cambio de fase de un fluido, también se consideran de
convección debido al movimiento inducido por durante el proceso como la
elevación de las burbujas de vapor durante la ebullición o la caída de gotas
liquidas durante la condensación.
La taza de transferencia de calor por convección se determina por
la ley de enfriamiento de newton, que se expresa como:
(Ecuación 2)
Donde es el coeficiente de transferencia de calor por convección, A e
el área de superficie a través de la que ocurre la transferencia térmica. Es
la temperatura de la superficie y es la temperatura del fluido más allá de la
superficie. (En la superficie la temperatura del fluido es igual a la temperatura
del sólido). El coeficiente de transferencia de calor por convección h no es
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una propiedad del fluido. Es un parámetro determinado experimentalmente,
cuyo valor depende de todas las variables que influyen en la convección,
como la geometría de la superficie, la naturaleza del movimiento del fluido,
las propiedades del fluido y la velocidad volumétrica del fluido.
Los valores comunes de h, en , oscilan entre 2 y 25 para la
convección libre de gases; entre 50 y 1000 para la convección libre de
liquido; 25 y 250 para la convección forzada de gases; entre 50 y 20000 para
la convección forzada de liquido y entre 2500 y 100000para convección en
procesos de ebullición y condensación.
Otro de los mecanismos como lo es radiación es la energía emitida por la
materia en forma de ondas (o fotones) electromagnéticos, como resultado de
los cambios en la configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. A
diferencia de conducción y de la convección, la transferencia de energía por
radiación no requiere la presencia de un medio entre el sistema y sus
alrededores. De hecho, la transferencia de energía por radiación es la más
rápida (a la velocidad de la luz) y no sufre atenuación en el vacío. Esta es
exactamente la manera en que la energía del sol llega a la tierra.
En los estudios de transferencia de calor es importante la radiación
térmica, que es la forma de la radiación emitida por los cuerpos debido a su
temperatura. Difiere de otras radiaciones electromagnéticas como los rayos
x, los rayos gamma, las microondas, las ondas de radio y las de televisión,
que no se relacionan con la temperatura. Todos los cuerpos a una
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temperatura por encima del cero absoluto emiten una radiación térmica.
De este modo como lo expresa macCabe (2002.p.303) la radiación en un
fenómeno volumétrico y todos los sólidos, líquidos y gases emiten, absorben
o trasmiten radiación en diversos grados.
Sin embargo, la radiación debe considerarse como un fenómeno
superficial en sólidos que son opacos a la radiación térmica como los
metales, la madera y las rocas, ya que la radiación emitida por la regiones
internas de dichos materiales nunca puede alcanzar la superficie, y la
radiación incidente en tales cuerpos suele ser absorbida a unos cuantos
micrones de la superficie a una temperatura absoluta T, está dada por la ley
de Stefan- Blotzmann como:
S (Ecuación 3)
Donde A es el área de la superficie y =5.67 es la
constante de Stefan- Blotzmann. La superficie idealizada que emite que
emite la radiación a esta tasa máxima recibe el nombre de cuerpo negro, y la
radiación emitida por todas las superficies reales es menor que la radiación
emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura y se expresa como:
Ecuación 4).
Donde es la emisividad de la superficie. La propiedad de emisividad,
cuyo valor esta en el intervalo 0 = , es una medida de lo cerca que una
superficie se aproxima a un cuerpo negro para que .
Otra propiedad importante de radiación de una superficie es su
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absorbencia, a, que es la fracción de energía de la radiación incidente sobre
una superficie que absorbe. Al igual que la emisividad, su valor esta en el
intervalo 0 = a = 1. Un cuerpo negro absorbe toda la radiación que incide
sobre él. Esto es, un cuerpo negro es tanto un absorbedor perfecto (a=1)
como un emisor perfecto.
En general, tanto los valores de a de una superficie dependen de la
temperatura y de la longitud de onda de radiación. La ley de Kirchhoff de la
radiación establece que la emisividad y la absorbencia de una superficie son
iguales a la misma temperatura y longitud de onda en la mayor de las
aplicaciones prácticas se ignora la dependencia de y a de la temperatura y
longitud de onda, y la absorbencia promedio de la superficie se considera
igual a su emisividad promedio. La tasa a la que una superficie absorbe
radiación determina de:
(Ecuación 5.)
Donde es la tasa en la que la radiación incide sobre la superficie y a
es la absorbencia de la superficie, en superficies opacas (no transparentes),
la porción de la radiación incidente que no absorbe la superficie refleja las
diferencias entre las tasas de radiación emitidas por la superficie y la
radiación absorbida es la transferencia neta de calor por radiación, si la tasa
de absorción de radiación es mayor que la tasa de emisión de radiación, se
dice que la superficie está ganando energía por radiación de otro modo, se
afirma que la superficie está perdiendo energía por radiación.
En general, determinar la tasa neta de transferencia de calor por radiación
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entre dos superficies es una tarea complicada, porque depende de las
propiedades de las superficies, la orientación relativa entre ellas y la
interacción del medio entre superficies con la radiación.
Sin embargo en el caso especial de una superficie relativamente pequeña
de emisividad y de área superficial A; a temperatura absoluta , que está
completamente encerrada por una superficie mucho más grande a
temperatura absoluta , separada por un gas (como el aire) que no
interfiere con la radiación (esto es, la cantidad de radiación emitida,
absorbida o dispersada por el medio es despreciable), la tasa neta de
transferencia de calor por radiación entre estas dos superficies se determina
a partir de:
(Ecuación 6)
En este caso especial, la emisividad y el área de la superficie circundante
no tienen ningún efecto en la transferencia neta de calor por radiación.
2.4. VARIABLES DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR
A continuación se desarrollaran las variables o algunas de las variables
presentes en los intercambiadores de calor.
2.4.1. LA TEMPERATURA Según lo referido por el autor Foust (2002. p. 177.) Es una magnitud
referida a las nociones comunes de cliente, tibio, frío que puede ser medida,
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específicamente, con un termómetro. En física, se define como una magnitud
escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico,
definida por el principio cero de la termodinámica.
Más específicamente, esta relaciona directamente con la parte de la
energía interna conocida como energía cinética, que es la energía asociada
a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido
traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A, madia que sea mayor
la energía cinética de un sistema, se observa que este se encuentra más
caliente; es decir, que su temperatura es mayor.
Así mismo el desarrollo de técnicas para la medición de la temperatura ha
pasado por un largo proceso histórico, ya que es necesario darle un valor
numérico a una idea intuitiva como es lo frío o lo caliente.
Multitud de propiedades fisicoquímicas de los materiales o las sustancias
varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por
ejemplo su estado (sólido, líquido, gaseoso, plasma), su volumen, la
solubilidad, la presión de vapor, su color o conductividad eléctrica. Así mismo
es una de los factores que influyen en la velocidad a la que tienes lugar las
restricciones químicas.
La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser
calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de
medición de la temperatura.
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2.4.2. FLUJO
De acuerdo con lo citado por el autor McCabe (2002 p. 321); se le define
como el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre
distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a
distinta temperatura.
El calor se puede transferir por convección, radiación o conducción.
Aunque esos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede
ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.
De esta manera existen un ejemplo como lo es la disminución de
temperatura de un fluido por transmisión de calor sensible hacia un fluido
más frío, cuya temperatura aumenta por este hecho; condensación de vapor
de agua con agua de refrigeración; y evaporación de agua desde una
disolución a una determinada presión mediante condensación de vapor a
presión más alta.
2.4.3. FACTORES DE ENSUCIAMIENTO EN INTERCAMBIADORES DE
CALOR
Estos factores son normalmente proporcionados por el cliente basándose
en su experiencia con el funcionamiento de su planta en producción o
proceso, pero si estos no son definidos o acotados apropiadamente dentro
de ciertos niveles puede hacer totalmente inútil la labor del ingeniero por muy
hábil que sea en el diseño del intercambiador.
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De acuerdo a lo citado por Cengel (2000 p 250). Representan la
resistencia teórica al flujo de calor a la acumulación de una capa de suciedad
o cualquier otra sustancia en uno o los dos lados de las superficies del tubo,
pero a menudo se “engordan” por el usuario final en un intento de minimizar
la frecuencia de las paradas para la limpieza del intercambiador. En realidad
esta práctica puede, si no se seleccionan correctamente, conducir a una
mayor frecuencia de las plantas para limpieza de las mismas.
Los mecanismos por los cuales se produce el ensuciamiento varían con la
aplicación pero pueden ser ampliamente en cuatros tipos claramente
identificados.
2.4.3.1. TIPOS DE ENSUCIAMIENTO
Existen cuatro tipos de ensuciamiento de acuerdo con lo citado por
Cengel (2000. P.260).
(a) Ensuciamiento químico son los cambios sintéticos en el fluido que
causan que se deposite una capa de ensuciamiento sobre la superficie
(interna o externa) de los tubos. Un ejemplo común de este fenómeno es la
expansión en una olla o caldera causada por el depósito de sales de calcio
en los elementos de calentamiento conforme a la solubilidad de las sales
disminuye al aumentar la temperatura. Este tipo esta fuera del control del
diseñador de los intercambiadores de calor, pero puede ser minimizado
controlando cuidadosamente la temperatura de l tubo en contacto con el
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fluido. Cuando se presenta este tipo de ensuciamiento normalmente es
eliminado mediante tratamiento químico o procesos mecánicos (cepillos de
acero, taladros o incluso pistolas de agua a alta presión, en algunos casos).
(b) Ensuciamiento biológico, causado por el crecimiento de organismos
en el fluido que se depositan en la superficie. Este tipo también esta fuera de
control del diseñador de los intercambiadores, pero puede verse influido por
la elección de los materiales ya que algunos como los latones no ferrosos
son notablemente venenosos para algunos organismos. Cuando se presenta
este tipo de ensuciamiento normalmente es eliminado mediante tratamiento
químico o por procesos mecánicos abrasivos.
(c) Ensuciamiento por depósito, son las partículas en el fluido que se
acumulan en la superficie cuando la velocidad cae por debajo de cierto nivel
crítico. Esto en gran medida está bajo el control del diseñador ya que la
velocidad critica de cualquier combinación fluido/partícula puede ser
calculada para permitir un diseño en el que la velocidad mínima sea siempre
mayor que la crítica. Montar el intercambiador de calor verticalmente también
puede minimizar los efectos ya que la gravedad tiende a llevar las partículas
fuera del intercambiador así como de la superficie de intercambio térmico,
cuando se presenta este tipo de ensuciamiento normalmente es eliminado
mediante procesos de cepillado mecánico.
(d) Ensuciamiento por corrosión, es una capa producto de la corrosión
acumulada en la superficie del tubo, formando una capa externa
normalmente de material con un alto nivel de resistencia térmica. Mediante la
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elección adecuada de los materiales de construcción los efectos pueden ser
minimizados ya que existe a disposición del fabricante de intercambiadores
un amplio rango de materiales a la corrosión basados en aceros inoxidable.
2.4.3.2. CALCULO DEL FACTOR DE ENSUCIAMIENTO
Según Cengel (2000.p.270). El uso de este método presupone que se
conocen los factores de ensuciamiento esperados para que el sistema en
estudio, lo cual es para la mayor parte de los casos muy difícil de predecir.
Sin embargo, si se tiene buenos estimados de los factores ensuciamiento, en
los casos en que ambas superficies se ensucian, se puede calcular un
coeficiente global de transferencia de calor, que tome en cuenta este efecto
entonces, el factor ensuciamiento total sería, de presentarse en las dos
superficies,
(Ecuación 7 )
Donde y se refieren a los factores de ensuciamiento de la
superficie interna y externa respectivamente.
2.5. MEDIDORES DE FLUJO Y TEMPERATURA
Los medidores de flujo y temperatura según lo que reseña Foust
(2002.p.180) son los siguientes
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2.5.1. PIRÓMETRO
Es un dispositivo capaz de medir la temperatura de una sustancia sin
necesidad de estar en contacto con ella. El término se suele aplicar a aplicar
a aquellos instrumentos capaces de medir temperaturas superiores a los
600°C. El rango de temperatura de Un pirómetro se encuentra entre 50°C
hasta +4000°C. Aplicación típica es la medida de la temperatura de metales
incandescentes en molinos de acero o fundiciones.
2.5.2. PARAMETRO Dispositivo capaz de medir el flujo másico de los intercambiadores de
calor, imprimiendo datos reales en su funcionamiento.
2.6. CONDUCCIÓN DEL CALOR
Según lo reseña McCabe (2004 p. 297). La conducción de calor es un
mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado
en el contacto directo se sus partículas sin flujo neto de materiales y que
tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes
cuerpos en contacto por medio de ondas.
2.7. RADIACIÓN TÉRMICA
Se denomina radiación térmica o radiación calorífica según Foust (2002.p
200) es la emitida por un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos
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con temperatura superior a 0 k emiten radiación electromagnética, siendo su
intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda
considerada. En los que se respecta a la transferencia de calor la radiación
relevante es la comprimida en el rango de longitudes de ondas de 0,1µm a
100µm, abarcando por tanto parte de la región ultravioleta, la visible y la
infrarroja del espectro electromagnético.
2.8. CONVECCIÓN DE CALOR
Según lo expresado por McCabe (2002 p. 298). La convección de calor
refiere a cuando un fluido circula en contacto con un sólido, por ejemplo por
el interior de una tubería, existiendo una diferencia de temperatura entre
ambos, tiene lugar un intercambio de calor. Esta transmisión de calor se
debe al mecanismo de convección.
2.9. INTERCAMBIADORES DE CALOR
Según el autor Cengel (2002 p. 656). Señala que los intercambiadores de
calor son dispositivos diseñados para transferir calor de un fluido a otro, que
ya sea que estos estén separados por una barrea solida o que se
encuentren en contacto, son parte esencial de los dispositivos de
refrigeración, acondicionamiento de aire producción de energía y
procesamiento químico.
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2.10. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR SEGÚN SU
CONSTRUCCIÓN
Según lo señalado por el autor Foust (2002.p. 320) Los intercambiadores
de calor se presentan en una inimaginable variedad de formas y tamaños, la
construcción de los intercambiadores está incluida en alguna de las dos
siguientes categorías: carcaza y tubo o plato. Como en cualquier dispositivo
mecánico, cada uno de estos presenta ventajas o desventajas en su
aplicación.
2.10.1. CARCAZA Y TUBO
Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un
contenedor llamado carcaza. El flujo de fluido dentro de los tubos se le
denomina comúnmente flujo interno y aquel que fluye en el interior del
contenedor como fluido de carcaza o fluido externo.
En los extremos de los tubos, el fluido interno es separado del fluido
externo de la carcaza por la(s) placa(s) del tubo. Los tubos se sujetan o se
sueldan a una placa para proporcionan un sello adecuado.
Es importante destacar que, en sistemas donde los dos fluidos
presentan una gran diferencia entre sus presiones, el líquido con mayor
presión se hace circular típicamente a través de los tubos y el líquido con una
presión más baja se circula del lado de la cáscara, esto es debido a los
costos en materiales, los tubos del intercambiador de calor se pueden
37
fabricar para soportar presiones más altas que la cáscara del cambiador con
un costo mucho más bajo.
Por otro lado, las placas de soporte (support plates) también actúan como
bafles para dirigir el flujo del líquido dentro de la cáscara hacia adelante y
hacia atrás a través de los tubos.
2.10.2. PLATO
El intercambiador de calor de tipo plato, consiste de placas en lugar de
tubos para separar a los dos fluidos, caliente y frío. Los líquidos calientes y
fríos se alternan entre cada uno de las placas y los bafles dirigen el flujo del
líquido entre las placas, ya que cada una de las placas tiene un área
superficial muy grande. Las placas proveen un área extremadamente grande
de transferencia de térmica a cada uno de los líquidos.
En este orden de ideas, un intercambiador de placa es capaz de transferir
mucho más calor con respecto a un intercambiador de carcaza y tubos con
volumen semejante, esto es debido a que las placas proporcionan una mayor
área que la de los tubos. El intercambiador de calor de plato, debido a la alta
eficacia en la transferencia de calor, es mucho más pequeño que el de
carcaza 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 presión es
38
pequeña o no muy alta, por ejemplo en los refrigeradores de aceite para
máquinas.
Actualmente se cuentan importantes avances que han mejorado el diseño
de las juntas y sellos, así como el diseño total del intercambiador de placa,
esto ha permitido algunos usos a gran escala de este tipo de intercambiador
de calor. Así, es más común que, cuando se renuevan viejas instalaciones o
se construyen nuevas instalaciones el intercambiador de la placa está
substituyendo paulatinamente a los intercambiadores de carcaza y tubo.
2.11. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR SEGÚN SU
OPERACIÓN
Según el autor Foust (2002 p. 331) Debido a que los intercambiadores de
calor se presentan en muchas formas, tamaños, materiales de manufactura y
modelos, estos son categorizados de acuerdo con características comunes.
Una de las características comunes que se puede emplear es la dirección
relativa que existe entre los dos flujos de fluido. Las tres categorías son: Flujo
paralelo, Contraflujo y Flujo cruzado que se presentan a continuación
2.11.1. FLUJO PARALELO
El flujo paralelo consiste cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo
externo o de la carcaza fluye en la misma dirección. En este caso, los dos
fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y estos presentan una
diferencia de temperatura significativa.
39
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 térmico entre ellos. Debe quedar claro que
el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más
caliente.
2.11.2. CONTRAFLUJO
El contra flujo consiste cuando los dos fluidos fluyen en la misma
dirección pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al
intercambiador por diferentes extremos ya que el fluido con menor
temperatura sale en contra flujo del intercambiador de calor en el extremo
donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más
frío se aproximará a la temperatura del fluido de entrada.
Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente que los otros dos
tipos mencionados anteriormente y, en contraste con el intercambiador de
calor de flujo paralelo, el intercambiador de contraflujo puede presentar la
temperatura más alta en el fluido frío y la más baja temperatura en el fluido
caliente una vez realizada la transferencia de calor en el intercambiador.
2.11.3. FLUJO CRUZADO
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 través
40
de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un
ángulo de 90º.
Los intercambiadores de flujo cruzado son comúnmente usado donde uno
de los fluidos presenta cambio de fase y por tanto se tiene un fluido pasado
por el intercambiador en dos fases bifásico. Un ejemplo típico de este tipo de
intercambiador es en los sistemas de condensación de vapor, donde el vapor
exhausto que sale de una turbina entra como flujo externo a la carcaza del
condensador y el agua fría que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor
y éste se condensa y forma agua líquida. Se pueden condensar grandes
volúmenes de vapor de agua al utiliza este tipo de intercambiador de calor.
En la actualidad, la mayoría de los intercambiadores de calor no son
puramente de flujo paralelo, contraflujo, o flujo cruzado; estos son
comúnmente una combinación 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.
Por lo tanto la razón de incluir la combinación de varios tipos en uno solo,
es maximizar la eficacia del intercambiador dentro de las restricciones
propias del diseño, que son: tamaño, costo, peso, eficacia requerida, tipo de
fluidos, temperaturas y presiones de operación, que permiten establecer la
complejidad del intercambiador.
41
2.11.4. INTERCAMBIADORES DE UN SOLO PASO (O PASO SIMPLE) Y
DE MÚLTIPLES PASOS
Es un método que combina las características de dos o más
intercambiadores y permite mejorar el desempeño de un intercambiador de
calor a través del paso de los dos fluidos varias veces dentro de un
intercambiador de paso simple. Cuando los fluidos del intercambiador
intercambian calor más de una vez, se denomina intercambiador de múltiple
pasos. Sí el fluido sólo intercambia calor en una sola vez, se denomina
intercambiador de calor de paso simple o de un solo paso.
Comúnmente el intercambiador de múltiples pasos invierte el sentido del
flujo en los tubos al utilizar dobleces en forma de "U" en los extremos, es
decir, el dobles en forma de "U" permite al fluido fluir de regreso e
incrementar el área de transferencia del intercambiador. Un segundo método
para llevar a cabo múltiples pasos es insertar bafles o platos dentro del
intercambiador.
2.12. FUNCIONAMIENTODE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR Como se ha visto hasta ahora, la función general de un intercambiador de
calor es transferir calor de un fluido a otro. Los componentes básicos de los
intercambiadores se pueden ver como un tubo por donde un flujo de fluido
está pasando mientras que otro fluido fluye alrededor de dicho tuvo.
Existen por tanto tres intercambios de calor que necesitan ser descritos:
Transferencia de calor convectiva del fluido hacia la pared interna del tubo.
42
Transferencia de calor conductiva a través de la pared del tubo.
Transferencia de calor convectiva desde la pared externa del tubo hacia el
fluido exterior.
Para desarrollar la metodología para el análisis y diseño de un
intercambiador de calor, atendemos primero el problema de la transferencia
de calor del fluido interno en el tubo hacia el fluido externo en la carcaza.
2.12.1. RELACIONES GOBERNANTES
Cuando que existen dos flujos en un intercambiador de calor, el fluido
caliente tiene una razón de capacidad calorífica defina como
donde es el flujo másico y es su
capacidad calorífica a presión constante y análogamente para el fluido frío se
tiene .
Por lo tanto, con base en la Primera Ley de la Termodinámica o
Conservación de la Energía, se establece que el calor transferido entre
ambos flujos se puede describir por un balance de entalpía de la forma:
(Ecuación 8)
Donde los subíndices 1 y 2 se refieren a entrada o salida del
intercambiador, respectivamente, y las literales T y t son empleadas para
indicar las temperaturas caliente y fría, respectivamente.
La ecuación (8) es una representación ideal donde no se consideran
pérdidas de calor y, ésta sólo describe el calor que será transferido (la
43
capacidad o comportamiento del intercambiador) para el caso donde se
conocen los flujos másicos y las temperaturas de operación. Sin embargo,
dicha ecuación no provee ninguna indicación del tamaño del intercambiador
necesaria para mejorar su capacidad o eficacia.
Tomando en cuenta el tamaño del intercambiador en la ecuación (8) dio
como resultado lo siguiente
(Ecuación 9)
Donde y son las áreas de las superficies caliente y fría del
intercambiador, Uh y Uc son los coeficientes globales de transferencia de
calor referidos a la parte caliente y fría del intercambiador, y ?m es la
diferencia de temperaturas en operación.
Las cantidades y son los eficacias de intercambio de aleta y
en el caso donde no se conocen para el intercambiador se puede utilizar la
aproximación = = 1.
Así, el proceso de intercambio de calor completo se puede representar
por:
(Ecuación 10)
Que es en definitiva la combinación de las ecuaciones (8) y (9).
2.12.1.1. ÁREA DE SUPERFICIE DEL INTERCAMBIADOR
Tomando en cuenta un tubo de longitud L. Se observa que la pared del
tubo tiene un espesor ds, as í que el diámetro interno es menor que el
44
diámetro externo y las áreas superficiales serán ligeramente diferentes, tal
que,
(Ecuación 11) O bien
(Ecuación 12) En el caso de un tubo con aletas, una hacia adentro del tubo y otra hacia
fuera, las áreas de las superficies de dichas aletas son entonces,
(Ecuación 13) O bien
(Ecuación 14) Donde y son el número de aletas dentro y fuera de la pared del
tubo, respectivamente, y despreciamos la transferencia de calor que ocurre a
través del área de la pared extrema (en la punta de la aleta) de las aletas,
tanto en las aletas internas como en las externas. En este caso se puede
decir que las áreas primas o las áreas de superficie básicas son las
siguientes
(Ecuación 15) O bien
(Ecuación 16) La superficie total será lo siguiente
O bien
45
(Ecuación 17) O bien
(Ecuación 18)
Vista del extremo de un tubo recto (a) y (b) pequeño ángulo central de un
tubo con aletas internas y externas.
(Ecuación 19)
O bien
(Ecuación 20)
46
Eficacia global de la superficie y se basan en las áreas de
superficie básicas y en la superficie de operación aleteada con eficacias
y , tal que se puede considerar,
O bien
(Ecuación 21)
Y de manera similar
(Ecuación 22)
Puede notarse que cuando no hay superficie definida, y la
ecuación anteriormente mostrada queda reducida a .
2.12.1.2. COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR GLOBAL En un intercambiador se tienen dos flujos de fluido, uno con mayor
temperatura que el otro, el calor se transfiere del fluido caliente al fluido frío a
través de cinco resistencias térmicas principales:
1. Resistencia de capa convectiva de lado del fluido con mayor
temperatura:
(Ecuación 23)
2. Resistencia en el lado caliente por suciedad debido a la acumulación
47
de residuos de materiales indeseables en la superficie de intercambio de
fluido caliente
(Ecuación 24)
3. Resistencia del material del intercambiador, el cual presenta una
conductividad térmica finita y que toma un valor en función del tipo de
intercambiador
(Ecuación 25)
Donde es el espesor del metal, Sm es el área de superficie del metal,
y es el número de tubos.
4. Resistencia en el lado frío por suciedad:
(Ecuación 26)
2.12.1.3. DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARÍTMICA
Para los cuatro arreglos básicos simples indicados en las ecuaciones
(8) y (9) es la diferencia de temperatura media logarítmica, la cual se puede
escribir como:
(Ecuación 27)
48
Cuatro arreglos básicos para los cuales la diferencia de temperatura
media logarítmica se puede determinar a partir de la ecuación (26): (a)
Contraflujo; (b) flujo paralelo; (c) fuente con temperatura constante y receptor
con incremento de temperatura; (d) temperatura constante en el receptor y
fuente con temperatura en decremento.
Para el intercambiador de contraflujo, donde los fluidos fluyen en sentidos
contrarios a través del intercambiador
(Ecuación 28)
Para el intercambiador de flujo paralelo, donde los fluidos fluyen en el
mismo sentido a través del intercambiador
(Ecuación 29)
49
Para el intercambiador que tiene temperatura constante, y la
temperatura del receptor se incrementa
(Ecuación 30)
Para el intercambiador que tiene temperatura del receptor es constante,
y la temperatura fuente disminuye
(Ecuación 31)
2.12.2. MÉTODOS DE ANÁLISIS DEL INTERCAMBIADOR CALOR
A continuación se presentan los diferentes métodos de análisis para los
intercambiadores de calor
2.12.2.1. MÉTODO DE FACTOR DE CORRECCIÓN EN LA DIFERENCIA
DE TEMPERATURA MEDIA LOGARÍTMICA (LTMD)
Como se mencionó, la diferencia de temperatura media logarítmica no se
puede aplicar a intercambiadores de calor de múltiple paso y de flujo
cruzado. El parámetro de temperatura que aparece en las ecuaciones
(8) y (9) es la real o diferencia de temperatura media efectiva y está
relacionada a la diferencia de temperatura media logarítmica escrita
50
anteriormente en la ecuación (27):
Y las funciones
(Ecuación 32) Definida como la efectividad del lado frío y
(Ecuación 33)
Definida como una razón de capacidad térmica. La diferencia de
temperatura media efectiva en un intercambiador de múltiple pasos o de flujo
cruzado , estará la diferencia de temperatura media logarítmica
mediante:
(Ecuación 34) Es una función de P, R y del arreglo del flujo de fluido. La obtención del
factor de corrección de la diferencia de temperatura media logarítmica
comenzó en los inicios de la década de los años 1930.Los factores de
corrección están disponibles en cartas como las que se muestran
anteriormente.
51
2.12.2.2. CALCULO DE LA EFICIENCIA TÉRMICA (MÉTODO NTU)
El parámetro P en el método del factor de corrección de la diferencia de
temperatura media logarítmica requiere de tres temperaturas para su cálculo.
La temperatura de entrada tanto del flujo caliente como del flujo frío se
obtiene comúnmente, pero cuando la de salida del lado frío no se conoce, se
requiere de un método de ensayo y error para determinar P.
Dicho método de ensayo y error se puede evitar en el método lo
que ha permitido a este último método ganar popularidad gracias a su
aplicación en diseño asistido por computadora. Kays y London en 1984
mostraron que las ecuaciones que describen un intercambiador de calor se
pueden escribir de manera a dimensional que resultan en tres grupos a
dimensionales.
Relación de la razón de capacidad
(Ecuación 35) Debe quedar claro que esta relación difiere de la relación R (ecuación 36,
razón de capacidad térmica).usada en la determinación del factor de
corrección de la diferencia de temperatura media logarítmica.
2- Efectividad del intercambiador de calor
(Ecuación 36) Que es la razón de la transferencia de calor real a la máxima
52
transferencia de calor que puede ser posible si se tratara de un
intercambiador de contraflujo.
3.- Número de unidades de transferencia de calor
(Ecuación 37) Donde el número de unidades de transferencia de calor es una medida
del tamaño del intercambiador. La transferencia de calor real está dada por el
balance de entalpía de la ecuación (1). Sí , se tiene que
, y que sí , así mismo si tiene que
< y el fluido que podría experimenta el máximo cambio de
temperatura, es el fluido que tiene la razón de capacidad mínima.
Así, la máxima transferencia de calor posible se puede expresar como
(Ecuación 38) O bien
(Ecuación 39) Y cualquiera de los dos se puede obtener con el intercambiador de
contraflujo. Por lo tanto, la efectividad del intercambiador se puede escribir
como:
(Ecuación 40)
53
Se puede observar que el valor se encuentra en un rango entre cero y
uno y que para un valor dado de y la transferencia de calor real
en el intercambiador será
(Ecuación 41)
Por otro lado, ya que la efectividad es una función tal que
Cada arreglo de intercambiador presenta su propia relación de efectividad.
La introducción formal del método para intercambiadores de
calor aparentemente se realizó por London y Seban (1942,1980). Sin
embargo, Sekulicetal. (1999) indican que las soluciones para el
intercambiador de calor de paso simple fueron originalmente obtenidas por
Nusselt (1911, 1930), Mason (1955) y Baclic and Heggs (1985) [.
Relaciones específicas para el método a continuación se
presentan algunas relaciones específicas y sus valores límite para
6 arreglos de:
a. - Contraflujo
(Ecuación 42) Sí , se tiene que
54
8, así como que
Para toda b.- Flujo paralelo
(Ecuación 43) Sí , se tiene que
Y si 8, da como resultado
c.- Para flujo cruzado con ambos fluidos puros o sin mezclado
(Ecuación 44) Donde I es la función de Bessel modificada de primera clase. Sí , se tiene que
Y si 8, se tiene que
Para toda
55
d.- Flujo cruzado con un fluido mezclado y un fluido no mezclado. Con mezclado y no mezclado
(Ecuación 45) Sí , así mismo se tiene
Y si 8, al igual queda expresada de la siguiente forma
Con mezclado y no mezclado
(Ecuación 46) Sí , se tiene que
Y si 8, de tal forma que quede la siguiente formula
e.- Flujo cruzado con ambos fluidos mezclados
(Ecuación 47) Si , e tiene que
Y Si 8, luego se obtiene lo siguiente
56
f.- Intercambiador de calor de carcaza y tubo con el fluido de la carcaza
mezclado
(Ecuación 48) Donde coth () es la función cotangente hiperbólica y
Si , se tiene que
Donde
Y Si 8 , Por último queda expresada de la siguiente forma
2.12.3. PERDIDAS DE PRESIÓN EN EL INTERCAMBIADOR Según lo que lo que señala el autor McCabe (2002 pág. 441). Las
relaciones presentadas hasta ahora se refieren a los principios de
transferencia de calor de los intercambiadores de calor. El aná lisis de
energía se completa al tomar en cuenta la potencia de bombeo necesaria
57
para forzar el flujo de fluido a través de la estructura de intercambiador. Este
tipo de análisis excede la cobertura del curso en transferencia de calor y se
incluye en el estudio de la mecánica de fluidos por lo que no es tratado en
esta ocasión.
3. SISTEMAS DE VARIABLES
La variable de estudio se define a continuación desde el enfoque nominal,
conceptual y operacional
3.1. DEFINICION NOMINAL Intercambiador de calor 3.2. DEFINICION CONCEPTUAL
La definición conceptual de la variable se tomara de McCabe (2002 .p.
300).
INTERCAMBIADOR DE CALOR
Definición conceptual: Un intercambiador de calor es un dispositivo
destinado a transferir energía térmica entre dos o más fluidos, a través de
una superficie sólida o mediante el contacto directo de los fluidos, sin la
utilización de de calor o trabajo externo. McCabe (2002.p.300)
58
3.3. DEFINICION OPERACIONAL
INTERCAMBIDOR DE CALOR
Operacionalmente esta variable se evaluará a través de la interacción y
traspaso de energía térmica y el aire, la energía es transferida mediante los
mecanismos de transferencia de calor la energía calórica en es transferida a
las moléculas del aire las cuales se encuentran en movimiento y en contacto
directo sobre la toda la superficie de la barrera térmica.
