Intercambiadores de Calor: Principios, Clasificación y Cálculo del Coeficiente Global U

Intercambiadores de Calor: Definición y Fundamentos

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para facilitar el intercambio de calor entre dos fluidos a distinta temperatura (T).

Aplicaciones Clave

• Calentamiento de espacios y acondicionamiento de edificios.
• Producción de potencia (ej. eléctrica).
• Aporte de calor a corrientes de proceso (vapor).
• Eliminación de calor de corrientes de proceso (agua o aire).
• Recuperación de calor residual (integración energética de corrientes).

Clasificación de Intercambiadores de Calor

Tipos en función del contacto

• Regeneradores: Circulación alternativa del fluido frío y caliente por el mismo espacio del cambiador (núcleo o matriz). Este núcleo sirve como dispositivo de almacenamiento temporal de energía. Existen dos tipos: matriz fija y matriz rotativa.
• Recuperadores o Cambiadores Cerrados: Circulación simultánea de fluido frío y caliente por el dispositivo, separados por una pared sólida.
• Cambiadores Abiertos o de Contacto Directo: Circulación simultánea y con mezcla del fluido frío y caliente (ej.: torres de refrigeración, centrales térmicas).

Tipos de Flujo

Los flujos en cambiadores pueden ser:

• Flujo contracorriente.
• Flujo paralelo.
• Flujo cruzado (con mezcla).
• Flujo cruzado (sin mezcla).

Tipos según Construcción

• Cambiador de Tubos Concéntricos

  Útiles para pequeñas superficies de intercambio.

• Cambiador de Carcasa y Tubos

  Consiste en una carcasa estanca en la que se sitúa un banco de tubos (un fluido circula por la carcasa y otro por los tubos). Ofrece mayor área por volumen de cambiador.

  Subtipos en función del flujo:

  • Flujo Revertido: Utilización de pantallas o tabiques deflectores para mejorar el coeficiente convectivo (h) en el lado de la carcasa.
  • Flujo Cruzado: Flujo perpendicular al eje de los tubos, con y sin mezcla.

  En función del número de pasos n-n' (carcasa-tubos):

  • Flujo simple (1-1).
  • Flujo múltiple (1-2) y (2-4).

• Cambiador de Placas y Marcos

  Formado por un bastidor (placa fija más placa móvil) que presiona placas con juntas para dirigir el fluido. La reducción de la distancia entre placas (↓↓) incrementa la velocidad (→↑V) y la turbulencia (→↑turbulencia). La superficie de las placas acanalada incrementa el área (→↑A) y la turbulencia.

• Cambiador Compacto

  Formado por bancos muy densos de tubos unidos por placas. Presenta una elevada relación área de contacto/volumen (>700 m²/m³). Al menos uno de los fluidos es gas.

Coeficientes Globales de Transferencia de Calor (U)

Fundamento Termodinámico

El análisis térmico de cambiadores establece que la transferencia de calor (Q) es función de: U (coeficiente global de transferencia de calor), A (superficie de contacto) y F.I. (diferencia de temperatura entre fluido frío y caliente).

El objetivo es el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor (U) a partir de las resistencias al transporte del sistema.

Sistema: Elemento diferencial de conducción cilíndrica por la que circula un fluido frío e intercambia calor con un fluido caliente en el exterior. En régimen estacionario, la transferencia de calor es constante:

Q_total = Q_f.caliente = Q_tubo = Q_f.frío = cte

La ecuación diferencial de transferencia de calor es:

dQ = (T' - T'_p) / (1/(h'·dA')) = (T'_p - T''_p) / (e/(k·dA_ml)) = (T''_p - T'') / (1/(h''·dA'')) = (T' - T'') / (1/(U·dA))

La resistencia total es:

1/U = (1/(h'·(dA'/dA))) + (e/(k·dA_ml/dA)) + (1/(h''·dA''/dA))

Si el espesor (e) es muy pequeño (e ↓↓), la ecuación se simplifica:

1/U = 1/h' + e/k + 1/h'' → U = U' = U_ml = U''

Optimización y Consideraciones de Diseño

Aumento de Eficacia

El aumento de eficacia se logra mediante el incremento de la velocidad de transporte (útil si el aumento de velocidad compensa el incremento de costes). Se emplean dos tipos de métodos:

• Métodos Activos: Requieren consumo de energía externa (ej.: agitación del fluido).
• Métodos Pasivos: Aumentan la superficie de transferencia de calor (T.Q), aunque implican un consumo extra de energía por aumento de pérdida de carga (ej.: aletas).

El aumento de eficacia, velocidad de transporte o del coeficiente U permite:

1. Reducir el área de transporte (equipo de menor tamaño).
2. Aumentar el caudal de fluido.
3. Trabajar con fuerzas impulsoras menores.

Ubicación Estratégica de los Fluidos

El fluido más sucio, el de mayor presión y el más corrosivo deben circular por los tubos. En flujo cruzado, el fluido con menor coeficiente convectivo (h_c) debe circular por la carcasa para aumentar h_c. Si no hay un beneficio obvio, se recomienda probar ambos diseños.