Dimensionar un intercambiador de calor es un proceso para el cual debemos tener en cuenta una serie de fenómenos térmicos:
- La convección forzada de ambos fluidos, es decir, la transmisión de calor entre una pared y un fluido en movimiento cuando ambos presentan temperaturas diferentes y se efectúa a través de circulación artificial pues se utilizan turbinas, bombas, ventiladores y otros aparatos.
- La conducción, o transferencia natural de calor a través de placas, paredes y tubos, un fenómeno directamente relacionado con el principio de agitación térmica sin movimiento de materia.
- La radiación térmica, considerada insignificante.
Fases para dimensionar un intercambiador de calor
El dimensionamiento de un intercambiador de calor se efecúa en tres etapas:
1.-Selección de la mejor tecnología.
La elección tecnológica hace referencia a la selección del programa térmico (rendimiento, temperaturas deseadas, etc.), a la naturaleza de los fluidos, a las limitaciones de espacio y mantenimiento, y al uso que le dará cliente.
Todo ello en su conjunto permitirá definir el mejor tipo de intercambiador y los materiales a emplear, sin olvidar que, en ocasiones, la obligatoriedad de emplear unos materiales concretos, incluirá de manera decisiva en el tipo de intercambiador.
2.-Dimensionamiento térmico
(a)Validación del programa térmico.
Escogido el intercambiador térmico, es momento de proceder con su dimensionamiento, es decir, determinar la potencia térmica, las superficies y la geometría. Para ello, en primer lugar, se deben pasar los datos del programa térmico en bucle con las siguientes tres fórmulas:
P caliente = P frío
P caliente = Q x Cp x ∆T caliente
P frio = Q x Cp x ∆T frío
- P: potencia (expresada en KW o KCal/h)
- T: temperatura (expresada en ºC)
- Q: caudal (expresado en kg/h)
- △t: Tentrada –Tsalida (expresada en °C)
- Cp: calor específico (expresado en KWh/Kg/°C)
(b)Cálculo de la superficie del intercambiador.
El primer paso será definir la LMTD o Diferencia de Temperatura Media Logarítmica(△TLM), que es la media logarítmica de los pinzamientos de temperatura a cada extremo del intercambiador.
∆TLM = [(Te1 – Ts2) – (Ts1- Te2)] / [ln (Te1 – Ts2) – Ln (Ts1 – Te1)]
- Te1: Tentrada fría
- Te2: Tentrada caliente
- Ts1: Tsalida fría
- Ts2: Tsalida caliente
Calculada la ∆TLM y estimada la potencia total intercambiada, entonces se puede proceder a dimensionar el intercambiador con la siguiente fórmula:
P total intercambiada = K x S x ∆TLM
- P total intercambiada
- K: coeficiente de intercambio expresado en KW/°C/m2. Depende del intercambiador y es calculado por el fabricante.
- S: superficie del intercambiador en m2
Ahora nos quedan dos datos desconocidos, K y S. Deberemos calcular el K para estimar la superficie del intercambiador.
(c)Cálculo de K y factor de ensuciamiento.El coeficiente de intercambio de un intercambiador se determina en base a la siguiente fórmula:
1 / K ensuciamiento = 1 / h1 + 1/h2 + e/λ + R ensuciamiento
- h1 y h2: coeficientes de intercambio correctivos locales calculados en base a correlaciones y números adimensionales como el Reynolds (Re), el Prandlt (Pr) y el Nusselt (Nu).
- e: espesor de la pared en m
- λ: conductividad térmica de la pared en W/°C/m
- Rensuciamiento: resistencia debida al ensuciamiento de la pared
Obtenido el valor K, podremos calcular la superficie y las dimensiones del intercambiador.
3.-Cálculo de la pérdida de cargas
Todo fluido que se encuentra en movimiento sufre pérdidas de energía debidas a:
- Las fricciones en las paredes (pérdidas de carga regulares) o,
- Accidentes de recorrido (pérdidas de carga singulares) comopor ejemplo, chicanas.
Esta pérdida de energía, que se expresa en diferencia de presión (△P), debe ser compensada para permitir que el fluido pueda moverse.
Así, una vez que una vez aprendido a dimensionar un intercambiador de calor, calcularemos sus pérdidas de cargas con distintas correlaciones determinadas en función de las características de las superficies de intercambio. Una vez calculadas estas pérdidas, comenzaremos un proceso de reiteración desde el paso 2, hasta que consigamos que la potencia deseada sea igual a la potencia obtenida.
El rendimiento de un intercambiado de calor
Rendimiento y eficiencia no son exactamente la misma cosa. En este caso, el rendimiento equivale a la ausencia de pérdida, de tal forma que la eficiencia de un intercambiador térmico es igual al rendimiento resultante de la siguiente fórmula:
Potencia que recupero / Potencia que podría recuperar
El rendimiento de 1 es un infinito imposible de alcanzar. En la mayoría de los casos, el rendimiento se fija desde la petición por el mismo cliente, ya que es inducido por las necesidades en potencias y en temperaturas de la aplicación del cliente.
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