Transferencia de Calor en Cilindros y Conceptos Clave de Intercambiadores Térmicos

Conducción de Calor a Través de un Cilindro de Capa Única

A partir de esta ecuación, se deduce la siguiente:

Las condiciones de contorno son:

• r = r₁ → t = t₁
• r = r₂ → t = t₂

Buscamos una función de temperatura t = f(r). La ecuación general es t = B · ln(r) + C.

Aplicando las condiciones de contorno, obtenemos:

t₁ = B · ln(r₁) + C
t₂ = B · ln(r₂) + C

Donde A_r representa el área media.

Sustituyendo la expresión de t [t = B · ln(r) + C] en la ecuación de flujo de calor, obtenemos:

Para referir el flujo de calor al área interior, se divide y multiplica por r₁:

De manera similar, para referirlo al área exterior, se divide y multiplica por r₂:

Coeficiente Global de Transferencia de Calor en Cilindros (con y sin Ensuciamiento)

El coeficiente global de transferencia de calor (U) varía durante la operación de un intercambiador debido al ensuciamiento progresivo de sus superficies.

Por lo tanto, se distingue entre un coeficiente global mínimo (U_mínima), que corresponde a la condición de ensuciamiento máximo, y un coeficiente global limpio (U_limpia), que se presenta al inicio de la operación.

Para el cálculo de U, se incorporan coeficientes de ensuciamiento (factores de resistencia al ensuciamiento) tanto para el lado interior como para el lado exterior del tubo.

Sin Ensuciamiento

Para un cilindro:

Con Ensuciamiento

Al considerar el ensuciamiento, la expresión del coeficiente global se modifica para incluir los factores de resistencia al ensuciamiento (R_f):

Donde es el coeficiente de ensuciamiento del interior del tubo.

es el coeficiente de ensuciamiento del espacio anular (lado carcasa).

Términos Clave en Intercambiadores de Calor

Pitch

Distancia entre los centros de dos tubos consecutivos en un intercambiador de calor de carcasa y tubos.

BMG (Birmingham Wire Gauge)

Unidad utilizada para medir el calibre o espesor de la pared de los tubos en intercambiadores de calor de carcasa y tubos.

Número de Pasos

Indica la cantidad de veces que los fluidos recorren el intercambiador, tanto por el lado de los tubos como por el lado de la carcasa. Por ejemplo, un intercambiador 2-4 tiene dos pasos por la carcasa y cuatro pasos por los tubos.

Distribución Triangular de Tubos

Es una de las configuraciones posibles para la disposición de los tubos en la placa tubular de un intercambiador de calor de carcasa y tubos. Esta disposición permite obtener el mejor coeficiente de transferencia de calor, ya que maximiza la superficie de intercambio dentro de una misma carcasa. Sin embargo, presenta el inconveniente de que la limpieza mecánica de la superficie de los tubos resulta más compleja.

Conceptos Fundamentales en Transferencia de Calor

Área de Flujo Transversal

Superficie efectiva a través de la cual se produce el flujo de un fluido, relevante para el cálculo de la transferencia de calor.

Diámetro Equivalente del Lado Carcasa

El diámetro equivalente para el flujo en el lado de la carcasa se calcula mediante la siguiente expresión:

Flujo de Calor en un Cilindro de Doble Capa con Convección Interior y Exterior

Mecanismos de Transferencia de Calor:

• 1-2: Convección Interior
  
• 2-4: Conducción a Través de las Capas
  
• 4-5: Convección Exterior
  
• 1-5: Flujo de Calor Global