Tema 7. Intercambiadores de calor - Universidad de Málaga

Tema 7. Intercambiadores de calor Juan Prieto González Escuela de Ingenierías Industriales 1 Tema 7. Intercambiadores de calor CONTENIDOS - INTRODUCCION - TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR - COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR - ANA...

Tema 7. Intercambiadores de calor Juan Prieto González Escuela de Ingenierías Industriales 1 Tema 7. Intercambiadores de calor CONTENIDOS - INTRODUCCION - TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR - COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR - ANALISIS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR - METODO DIFERENCIA DE TEMPERATURA LOGARÍTMICA MEDIA - METODO DE LA EFECTIVIDAD ε-NTU - SELECCIÓN DE UN INTERCAMBIADOR - CONDENSADORES - EVAPORADORES 2 Tema 7. Intercambiadores de calor INTRODUCCIÓN Son aparatos que facilitan el intercambio de calor del entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que se mezclen entre sí. A diferencia de las cámaras de mezcla, la transferencia de calor se realiza por convección en cada fluido y conducción a través de la pared que lo separan. En el análisis de intercambiadores es conveniente trabajar con un coeficiente total de transferencia de calor U, que toma en cuenta la contribución de todos los efectos sobre dicha transferencia. Las principales funciones de los intercambiadores de calor son: Transferir calor sensible de un fluido a otro. Obtener calor o frío sensible a partir de otro en el que hay cambio de fase. Mejorar la eficiencia de los sistemas energéticos por medio de estrategias de recuperación de calor. 3 Tema 7. Intercambiadores de calor TIPOS DE INTERCAMBIADORES En función de las aplicaciones de la transferencia de calor tendremos distintas configuraciones de intercambiadores: Doble tubo Flujo paralelo Contraflujo Compactos Carcasa y tubos Placas Regenerativo 4 Tema 7. Intercambiadores de calor TIPOS DE INTERCAMBIADORES Intercambiadores de doble tubo Los intercambiadoras de calor de doble tubo son tipo más simple de intercambiador de calor, consta de dos tubos concéntricos de diferentes diámetros. Un fluido en un intercambiador de calor de doble tubo fluye a través de la tubería más pequeña, mientras que el otro fluido fluye a través del espacio anular entre las dos tuberías. En un intercambiador de calor de doble tubo son posibles dos tipos de disposición de flujo: En flujo paralelo, tanto el fluido caliente como el frío entran en el intercambiador de calor por el mismo extremo y se mueven en la misma dirección. En contraflujo, los fluidos calientes y fríos ingresan al intercambiador de calor en extremos opuestos y fluyen en direcciones opuestas. 5 Tema 7. Intercambiadores de calor TIPOS DE INTERCAMBIADORES Compactos Los intercambiadores compactos son los que cociente del área de superficie de transferencia de calor y su volumen, denominado densidad de área β, es muy elevados. Un intercambiador de calor con β > 700 m2/m3 se clasifica como compacto. Ejemplos de intercambiadores de calor compactos son los radiadores de coche (β 1000 m2/m3), o los intercambiadores de calor de turbinas de gas (β 6000 m2/m3). La gran superficie de los intercambiadores de calor compactos se obtiene fijando una placa delgada o aletas corrugadas muy delgadas a las paredes que separan los dos fluidos. Los intercambiadores de calor compactos se utilizan comúnmente en intercambiadores de calor de gas a gas y de gas a líquido para contrarrestar el bajo coeficiente de transferencia de calor asociado con el gas con una mayor área de superficie. En los intercambiadores de calor compactos, los dos fluidos generalmente se mueven perpendicularmente entre sí, en flujo cruzado. El flujo cruzado se clasifica a su vez como flujo no mezclado y mixto, dependiendo de la configuración del flujo. 6 Tema 7. Intercambiadores de calor TIPOS DE INTERCAMBIADORES Carcasa y tubos Es uno de los intercambiadores más usados en aplicaciones industriales. Contienen un gran número de tubos (a veces varios cientos) empaquetados en una carcasa con sus ejes paralelos a los de la carcasa. La transferencia de calor se realiza entre un fluido que fluye dentro de los tubos y otro fluido que fluye fuera de los tubos dentro de la carcasa. Los deflectores se colocan comúnmente en la carcasa para forzar que el fluido del lado de la carcasa fluya a través de la carcasa para mejorar la transferencia de calor y mantener un espacio uniforme entre los tubos. A pesar de su uso generalizado, no son adecuados para su uso en automóviles y aviones aplicaciones debido a su tamaño y peso relativamente grandes. Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos se clasifican a su vez según el número de pasos de carcasa y tubos involucrados. 7 Tema 7. Intercambiadores de calor TIPOS DE INTERCAMBIADORES Placas Intercambiadores de calor de uso generalizado por su buena relación compacidad, eficiencia y precio. Consta de una serie de placas con canales de flujo plano corrugados. Los fluidos calientes y fríos fluyen en pasajes alternos y, por lo tanto, cada corriente de fluido frío está rodeada por dos corrientes de fluido caliente, lo que resulta en una transferencia de calor muy efectiva. Además, se pueden diseñar y construir de manera modular montando más placas en paralelo. Son muy adecuados para aplicaciones de intercambio de calor de líquido a líquido, siempre que las corrientes de fluido caliente y frío estén aproximadamente a la misma presión. 8 Tema 7. Intercambiadores de calor TIPOS DE INTERCAMBIADORES Regenerativo Otro tipo de intercambiador de calor que implica el paso alterno de las corrientes de fluido caliente y frío a través de la misma área de flujo es el intercambiador de calor regenerativo. El intercambiador de calor regenerativo de tipo estático es básicamente una masa porosa que tiene una gran capacidad de almacenamiento de calor, como una malla de alambre cerámico. Los fluidos calientes y fríos fluyen alternativamente a través de esta masa porosa. El calor se transfiere del fluido caliente a la matriz del regenerador durante el flujo del fluido caliente, y de la matriz al fluido frío durante el flujo del fluido frío. Por lo tanto, la matriz sirve como un medio temporal de almacenamiento de calor. 9 Tema 7. Intercambiadores de calor TIPOS DE INTERCAMBIADORES Los intercambiadores de calor a menudo reciben nombres específicos para reflejar la aplicación específica para la que se utilizan. Por ejemplo: - Un condensador es un intercambiador de calor en el que uno de los fluidos se enfría y se condensa a medida que fluye a través del intercambiador de calor. - Un evaporador es otro intercambiador de calor en el que uno de los fluidos absorbe calor y se vaporiza. - Un radiador de espacio es un intercambiador de calor que transfiere el calor del fluido caliente al espacio circundante por radiación. 10 Tema 7. Intercambiadores de calor EL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR Un intercambiador de calor generalmente involucra dos fluidos que fluyen separados por una pared sólida. El calor se transfiere primero del fluido caliente a la pared por convección, a través de la pared por conducción y de la pared al fluido frío nuevamente por convección. Los efectos de la radiación suelen incluirse en los coeficientes de transferencia de calor por convección. La resistencia térmica total de un intercambiador de doble tubo es: 𝐷𝑜 1 ln 1 𝐷𝑖 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑅𝑖 + 𝑅𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 + 𝑅𝑜 = + + ℎ𝑖 𝐴𝑖 2π𝑘𝐿 ℎ𝑜 𝐴𝑜 donde k es la conductividad térmica del material de la pared y L es la longitud del tubo, y ℎ𝑖 y ℎ𝑜 los coeficientes de transferencia de calor convectivos interior y exterior respectivamente. 𝐴𝑖 es el área de la superficie interna de la pared, 𝐴𝑜 es el área de la superficie exterior de la pared. 11 Tema 7. Intercambiadores de calor EL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR En el análisis de intercambiadores de calor, es conveniente combinar todas las resistencias térmicas en una sola resistencia R, y expresar la tasa de transferencia de calor entre los dos fluidos como: ∆𝑇 𝑄ሶ = = 𝑈𝐴𝑠 ∆𝑇 = 𝑈𝑖 𝐴𝑖 ∆𝑇 = 𝑈𝑜 𝐴𝑜 ∆𝑇 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 donde U es el coeficiente global de transferencia de calor, cancelando la ecuación anterior, es: 1 1 1 1 1 = = =𝑅= + 𝑅𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 + 𝑈𝐴𝑠 𝑈𝑖 𝐴𝑖 𝑈𝑜 𝐴𝑜 ℎ𝑖 𝐴𝑖 ℎ𝑜 𝐴𝑜 Si la pared es fina y la conductividad es alta, se puede despreciar 𝑅𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 , y por tanto: 𝑈 ≈ 𝑈𝑖 ≈ 𝑈𝑜 𝐴 ≈ 𝐴𝑖 ≈ 𝐴𝑜 12 Tema 7. Intercambiadores de calor EL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR Si el tubo tiene aletas, el área para la transferencia de calor total será: 𝐴𝑠 = 𝐴𝑠𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎𝑠 + η𝐴𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎𝑠 13 Tema 7. Intercambiadores de calor EL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR El factor de incrustación El rendimiento de los intercambiadores de calor suele deteriorarse con el tiempo como consecuencia de la acumulación de depósitos en las superficies de transferencia de calor. La capa de depósitos (normalmente precipitaciones calcáreas) representa una resistencia adicional a la transferencia de calor y hace que la transferencia de calor en un intercambiador de calor disminuya. El efecto neto de estas acumulaciones en la transferencia de calor está representado por el factor de incrustación Rf. En general, este factor es mayor cuando la temperatura es mayor y la velocidad es menor. 1 1 1 1 𝑅𝑓,𝑖 𝑅𝑓,𝑜 1 = = =𝑅= + + 𝑅𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 + + 𝑈𝐴𝑠 𝑈𝑖 𝐴𝑖 𝑈𝑜 𝐴𝑜 ℎ𝑖 𝐴𝑖 𝐴𝑖 𝐴𝑜 ℎ𝑜 𝐴𝑜 14 Tema 7. Intercambiadores de calor EL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR EJEMPLO 1 Un intercambiador de calor de doble tubo (carcasa y tubo) de un 1 m de longitud, está construido con un tubo interior de acero inoxidable (k 15,1 W/m·°C) de diámetro interior Di 1,5 cm y diámetro exterior Do 1,9 cm y una carcasa exterior de diámetro interior de 3,2 cm. El coeficiente de transferencia de calor por convección es de 800 W/m2·°C en la superficie interna del tubo y ho 1200 W/m2·°C en la superficie exterior. Para un factor de ensuciamiento de Rf,i 0,0004 m2·°C/W en el lado del tubo y Rf,o 0,0001 m2·°C/W en el lado de la carcasa, determine: (a) la resistencia térmica del intercambiador de calor por unidad de longitud. (b) los coeficientes globales de transferencia de calor, Ui y Uo basados en las áreas de la superficie interna y externa del tubo, respectivamente. 15 Tema 7. Intercambiadores de calor ANÁLISIS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR Un ingeniero a menudo se encuentra en dos posiciones distintas: Fase de diseño de una instalación térmica: seleccionar un intercambiador de calor que logrará un cambio de temperatura específico en una corriente de fluido de caudal másico conocido. Fase de análisis de una instalación térmica existente: predecir las temperaturas de salida de las corrientes de fluido caliente y frío en un intercambiador de calor especificado. Veremos los dos métodos utilizados en el análisis de intercambiadores de calor. El método de diferencia de temperatura logarítmica media (o ΔTLM) es el más adecuado para la fase de diseño de instalaciones térmicas. El método de efectividad-NTU el análisis de instalaciones existentes. Haciendo un balance entálpico a un intercambiador de calor, la transferencia de calor en los intercambiadores es: 𝑄ሶ = 𝑚ሶ 𝑓 · 𝑐𝑝,𝑓 · (𝑇𝑠,𝑓 − 𝑇𝑒,𝑓 ) 𝑚ሶ 𝑓 · 𝑐𝑝,𝑓 = 𝐶𝑓 𝑄ሶ = 𝑚ሶ 𝑐 · 𝑐𝑝,𝑐 · (𝑇𝑠,𝑐 − 𝑇𝑒,𝑐 ) 𝑚ሶ 𝑐 · 𝑐𝑝,𝑐 = 𝐶𝑐 16 Tema 7. Intercambiadores de calor ANÁLISIS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR 𝑄ሶ = 𝑚ሶ 𝑓 · 𝑐𝑝,𝑓 · (𝑇𝑠,𝑓 − 𝑇𝑒,𝑓 ) 𝑄ሶ = 𝑚ሶ 𝑐 · 𝑐𝑝,𝑐 · (𝑇𝑠,𝑐 − 𝑇𝑒,𝑐 ) Cuando 𝐶𝑓 = 𝐶𝑐 la evolución de las temperaturas de las dos corrientes es la misma: Flujo paralelo, 𝐶𝑓 = 𝐶𝑐 Flujo contracorriente, 𝐶𝑓 = 𝐶𝑐 17 Tema 7. Intercambiadores de calor ANÁLISIS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR 𝑄ሶ = 𝑚ሶ 𝑓 · 𝑐𝑝,𝑓 · (𝑇𝑠,𝑓 − 𝑇𝑒,𝑓 ) 𝑄ሶ = 𝑚ሶ 𝑐 · 𝑐𝑝,𝑐 · (𝑇𝑠,𝑐 − 𝑇𝑒,𝑐 ) Cuando 𝐶𝑓 es distinta a 𝐶𝑐 la evolución de las temperaturas de las dos corrientes es distinta también: Flujo paralelo, 𝐶𝑓 < 𝐶𝑐 Flujo contracorriente, 𝐶𝑓 > 𝐶𝑐 18 Tema 7. Intercambiadores de calor ANÁLISIS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR Cuando hay cambio de fase en una de las dos corrientes (condensador o evaporador), el balance entálpico en un condensador es: 𝑄ሶ = 𝑚ሶ 𝑓 · 𝑐𝑝,𝑓 · (𝑇𝑠,𝑓 − 𝑇𝑒,𝑓 ) 𝑄ሶ = 𝑚ሶ 𝑐 · (ℎ𝑒,𝑐 − ℎ𝑠,𝑐 ) Condensador, 𝐶𝑐 = ∞ Evaporador, 𝐶𝑓 = ∞ 19 Tema 7. Intercambiadores de calor ANÁLISIS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR Por otro lado, la transferencia de calor también se puede expresar, como ya hemos visto: 𝑄ሶ = 𝑈𝐴𝑠 ∆𝑇𝑚 Donde 𝑈, es el coeficiente global de transferencia de calor, 𝐴𝑠 es el área efectiva de contacto, y ∆𝑇𝑚 es la diferencia de temperatura media de ambos fluidos. A veces ∆𝑇𝑚 es fácil de calcular: En general ∆𝑇𝑚 no es tan fácil de calcular ∆𝑇1 + ∆𝑇2 ¿ ∆𝑇𝑚 ? ∆𝑇𝑚 = 2 20 Tema 7. Intercambiadores de calor DIFERENCIA DE TEMPERATURA LOGARÍTMICA MEDIA Cuando la evolución de las temperaturas a lo largo del intercambiador de calor no es lineal, es necesario encontrar una diferencia de temperatura efectiva para poder usar la ecuación del coeficiente global de transferencia. Cuando se discretiza un intercambiador de calor de tubos concéntricos, las diferencias de temperaturas sí cambian linealmente. Por tanto, si se discretiza y se integra, la ecuación de transferencia de calor queda como: ∆𝑇1 − ∆𝑇2 𝑄ሶ = 𝑈𝐴𝑠 ∆𝑇1 ln ∆𝑇2 Diferencia de temperatura logarítmica media: ∆𝑇1 − ∆𝑇2 ∆𝑇𝑙𝑚 = ∆𝑇1 ln ∆𝑇2 21 Tema 7. Intercambiadores de calor DIFERENCIA DE TEMPERATURA LOGARÍTMICA MEDIA El análisis para un intercambiador a contracorriente es similar, llegando a la misma conclusión ∆𝑇1 − ∆𝑇2 𝑄ሶ = 𝑈𝐴𝑠 ∆𝑇1 ln ∆𝑇2 La diferencia entre ambos casos es la definición de ∆𝑇1 y ∆𝑇2 , en flujo paralelo: ∆𝑇1 = 𝑇𝑐,𝑒 − 𝑇𝑓,𝑒 ∆𝑇2 = 𝑇𝑐,𝑠 − 𝑇𝑓,𝑠 en contracorriente: ∆𝑇1 = 𝑇𝑐,𝑒 − 𝑇𝑓,𝑠 ∆𝑇2 = 𝑇𝑐,𝑠 − 𝑇𝑓,𝑒 22 Tema 7. Intercambiadores de calor DIFERENCIA DE TEMPERATURA LOGARÍTMICA MEDIA EJEMPLO 2 Se va a calentar agua en un intercambiador de tubo doble a contraflujo, desde 20°C hasta 80°C, a razón de 1.2 kg/s. El calentamiento se va a realizar por medio de agua geotérmica de la que se dispone a 160°C con un gasto de masa de 2 kg/s. El tubo interior es de pared delgada y tiene un diámetro de 1.5 cm. Si el coeficiente de transferencia de calor total del intercambiador es de 640 W/m2·°C, determine la longitud requerida de ese intercambiador para lograr el calentamiento deseado. Resuelva el caso anterior, pero considerando flujo paralelo, no contracorriente. 23 Tema 7. Intercambiadores de calor DIFERENCIA DE TEMPERATURA LOGARÍTMICA MEDIA En el caso de intercambiadores de múltiples pasos, la diferencia de temperatura logarítmica media tiene que corregirse por medio de un factor de corrección, F. ∆𝑇𝑙𝑚 = 𝐹 · ∆𝑇𝑙𝑚,𝑐𝑐 F depende de la geometría de la configuración del intercambiador y de las temperaturas de entrada y salida del mismo. Para ellos es necesario obtener previamente dos factores, P y R. Donde: 𝑡2 − 𝑡1 𝑇1 − 𝑇2 𝑚 · 𝑐𝑝 𝑐𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 𝑃= 𝑅= = 𝑇1 − 𝑡1 𝑡2 − 𝑡1 𝑚 · 𝑐𝑝 𝑡𝑢𝑏𝑜 𝑇 = 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 𝑡 = 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑡𝑢𝑏𝑜 1 = 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 2 = 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 24 Tema 7. Intercambiadores de calor DIFERENCIA DE TEMPERATURA LOGARÍTMICA MEDIA 𝐹 1 paso de carcasa y 2, 4, 6, etc. (cualquier múltiplo de 2), pasos de tubo 𝐹 2 pasos de carcasa y 4, 8, 12, etc. (cualquier múltiplo de 4), pasos de tubo 25  Tema 7. Intercambiadores de calor DIFERENCIA DE TEMPERATURA LOGARÍTMICA MEDIA Para el caso de los intercambiadores de flujo cruzado, también hay que aplicar el factor de corrección F a partir de los factores P y R definidos de igual forma. Flujo cruzado de 1 paso, flujo no mezclado 𝐹 𝐹 Flujo cruzado de 1 paso, flujo mezclado 26 Tema 7. Intercambiadores de calor DIFERENCIA DE TEMPERATURA LOGARÍTMICA MEDIA EJEMPLO 3 Se usa un intercambiador de calor de dos pasos por la carcasa y cuatro pasos por los tubos para calentar glicerina desde 20°C hasta 50°C por medio de agua caliente, la cual entra en los tubos de pared delgada de 2 cm de diámetro a 80°C y sale a 40°C. La longitud total de los tubos en el intercambiador es de 60 m. El coeficiente de transferencia de calor por convección es de 25 W/m2·°C del lado de la glicerina (carcasa) y de 160 W/m2·°C del lado del agua (haz de tubos). Determine la transferencia de calor en el intercambiador a) antes de que se tenga incrustación y b) después de que se presenta ésta sobre las superficies exteriores de los tubos, con un factor de incrustación de 0.0006 m2·°C/W. 27 Tema 7. Intercambiadores de calor DIFERENCIA DE TEMPERATURA LOGARÍTMICA MEDIA EJEMPLO 4 Se realiza una prueba para determinar el coeficiente global de transferencia de calor en un radiador automotriz que es un intercambiador de calor agua-aire compacto de flujo cruzado con ambos fluidos (aire y agua) sin mezclar. El radiador tiene 40 tubos de 0,5 cm de diámetro interno y 65 cm de longitud en una matriz de aletas de placa muy espaciadas. El agua caliente entra en los tubos a 90 °C a una velocidad de 0,6 kg/s y sale a 65 °C. El aire fluye a través del radiador a través de los espacios entre aletas y se calienta de 20 °C a 40 °C. Determine el coeficiente de transferencia de calor general Ui de este radiador en función de la superficie interna de los tubos. 28 Tema 7. Intercambiadores de calor METODO DE LA EFECTIVIDAD ε-NTU Un segundo tipo de es la determinación del calor transferido y las temperaturas de salida de los conocidos los caudales, las temperaturas de entrada y el tamaño del intercambiador de calor. Aquí, la tarea es determinar el rendimiento de transferencia de calor de un intercambiador de calor. El método LMTD aún podría usarse para este problema alternativo, pero el procedimiento requeriría iteraciones tediosas y, por lo tanto, no es práctico. El método de efectividad-NTU, que simplifica enormemente el análisis del intercambiador de calor. Este método se basa en un parámetro adimensional llamado efectividad, ε, definida como: 𝑄ሶ 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑙 ε= = 𝑄ሶ 𝑚𝑎𝑥 𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 La transferencia de calor real se obtiene a partir del balance entálpico: 𝑄ሶ = 𝐶𝑓 · 𝑇𝑠,𝑓 − 𝑇𝑒,𝑓 = 𝐶𝑐 · (𝑇𝑒,𝑐 − 𝑇𝑠,𝑐 ) 𝑚ሶ 𝑓 · 𝑐𝑝,𝑓 = 𝐶𝑓 𝑚ሶ 𝑐 · 𝑐𝑝,𝑐 = 𝐶𝑐 29 Tema 7. Intercambiadores de calor METODO DE LA EFECTIVIDAD ε-NTU La máxima transferencia de calor posible se da cuando la temperatura de entrada del fluido frío alcanza la temperatura de entrada del fluido caliente, es decir: ∆𝑇𝑚𝑎𝑥 = 𝑇𝑐,𝑒 − 𝑇𝑓,𝑒 La transferencia de calor en un intercambiador de calor alcanzará su valor máximo cuando el fluido frío se caliente a la temperatura de entrada del fluido caliente o cuando el fluido caliente se enfríe a la temperatura de entrada del fluido frío. Estas dos condiciones limitantes no se alcanzarán simultáneamente salvo que la capacidad calorífica de los fluidos calientes y fríos sean iguales. Si no es así, el fluido con capacidad calorífica más pequeña experimentará un cambio de temperatura mayor y, por lo tanto, será el primero en experimentar la temperatura máxima. Por lo tanto, la tasa máxima posible de transferencia de calor en un intercambiador de calor es: 𝑄ሶ 𝑚𝑎𝑥 = 𝐶𝑚𝑖𝑛 · ∆𝑇𝑚𝑎𝑥 = 𝐶𝑚𝑖𝑛 (𝑇𝑐,𝑒 − 𝑇𝑓,𝑒 ) Donde 𝐶𝑚𝑖𝑛 es el mínimo de calores específicos de las dos corrientes 𝐶𝑚𝑖𝑛 = 𝑚𝑖𝑛(𝐶𝑓 , 𝐶𝑐 ) 30 Tema 7. Intercambiadores de calor METODO DE LA EFECTIVIDAD ε-NTU Una vez que se conoce la efectividad del intercambiador de calor, transferencia de calor real Q se puede determinar a partir de: 𝑄ሶ = ε · 𝑄ሶ 𝑚𝑎𝑥 = ε · 𝐶𝑚𝑖𝑛 · ∆𝑇𝑚𝑎𝑥 = ε · 𝐶𝑚𝑖𝑛 (𝑇𝑐,𝑒 − 𝑇𝑓,𝑒 ) Por lo tanto, la efectividad del intercambiador de calor nos permite determinar la transferencia de calor sin conocer las temperaturas de salida de los fluidos. La efectividad de un intercambiador de calor depende de la geometría del intercambiador de calor, así como de la disposición del flujo. Por lo tanto, los diferentes tipos de intercambiadores de calor tienen diferentes relaciones de efectividad. Para el caso de un intercambiador de flujo paralelo puede demostrarse que la efectividad es: −𝑈 · 𝐴𝑠 𝐶 1 − exp 1 + 𝑚𝑖𝑛 𝐶𝑚𝑖𝑛 𝐶𝑚𝑎𝑥 ε𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜,𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 = 𝐶 1 + 𝑚𝑖𝑛 𝐶𝑚𝑎𝑥 31 Tema 7. Intercambiadores de calor METODO DE LA EFECTIVIDAD ε-NTU −𝑈 · 𝐴𝑠 𝐶 1 − exp 1 + 𝑚𝑖𝑛 𝐶𝑚𝑖𝑛 𝐶𝑚𝑎𝑥 ε𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜,𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 = 𝐶 1 + 𝑚𝑖𝑛 𝐶𝑚𝑎𝑥 ε depende de dos parámetros adimensionales: El parámetro adimensional NTU (Número de Unidades de Transferencia), definido como: 𝑈 · 𝐴𝑠 𝑈 · 𝐴𝑠 𝑁𝑇𝑈 = = 𝐶𝑚𝑖𝑛 𝑐𝑝 · 𝑚ሶ 𝑚𝑖𝑛 La relación de calores específicos de ambos fluidos, c: 𝐶𝑚𝑖𝑛 𝑐= 𝐶𝑚𝑎𝑥 Para el resto de configuraciones de intercambiadores la efectividad también depende de estos dos parámetros adimensionales. 32 Tema 7. Intercambiadores de calor METODO DE LA EFECTIVIDAD ε-NTU 33 Tema 7. Intercambiadores de calor METODO DE LA EFECTIVIDAD ε-NTU 34 Tema 7. Intercambiadores de calor METODO DE LA EFECTIVIDAD ε-NTU 35 Tema 7. Intercambiadores de calor METODO DE LA EFECTIVIDAD ε-NTU 36 Tema 7. Intercambiadores de calor METODO DE LA EFECTIVIDAD ε-NTU Mencionamos anteriormente que cuando se especifican todas las temperaturas de entrada y salida, el tamaño del intercambiador de calor se puede determinar fácilmente utilizando el método LMTD. Alternativamente, también se puede determinar a partir del método de efectividad-NTU evaluando primero la efectividad a partir de su definición y luego la NTU a partir de la relación NTU apropiada en la de la derecha. 37 Tema 7. Intercambiadores de calor METODO DE LA EFECTIVIDAD ε-NTU EJEMPLO 5 Repetir el ejemplo 2 utilizando el método ε-NTU 38 Tema 7. Intercambiadores de calor METODO DE LA EFECTIVIDAD ε-NTU EJEMPLO 6 Se va a enfriar aceite caliente con agua en un intercambiador de calor de un paso por la carcasa y 8 pasos por los tubos. Los tubos son de pared delgada y están hechos de cobre con un diámetro interno de 1.4 cm. La longitud de cada paso por los tubos en el intercambiador es de 5 m y el coeficiente de transferencia de calor total es de 310 W/m2·°C. Por los tubos fluye agua a razón de 0.2 kg/s y por el casco el aceite a razón de 0.3 kg/s. El agua y el aceite entran a las temperaturas de 20°C y 150°C, respectivamente. Determine la razón de la transferencia de calor en el intercambiador y las temperaturas de salida del agua y del aceite. 39 Tema 7. Intercambiadores de calor SELECCIÓN DE UN INTERCAMBIADOR El método de diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) es fácil de usar en el análisis de intercambiadores de calor cuando se conocen las temperaturas de entrada y salida de los fluidos calientes y fríos o se pueden determinar a partir de un balance de energía. Una vez que ∆𝑇𝑙𝑚 , los caudales másicos y el coeficiente de transferencia de calor general están disponibles, el área de superficie de transferencia de calor del intercambiador de calor se puede determinar a partir de: 𝑄ሶ = 𝑈𝐴𝑠 ∆𝑇𝑙𝑚 El método LMTD se usa para determinar el tamaño de un intercambiador de calor para obtener las temperaturas de entrada y salida de los fluidos calientes y fríos cuando se conocen los caudales másicos El procedimiento a seguir en el proceso de selección es: 1. Seleccionar el tipo de intercambiador de calor adecuado para la aplicación. 2. Determinar la temperatura de entrada o salida desconocida y el calor transferido usando el balance de energía. 3. Calcular la ∆𝑇𝑙𝑚 y el factor de corrección F, si es necesario. 4. Obtener (seleccionar o calcular) el valor del coeficiente global de transferencia de calor U. 5. Calcular el área de superficie de transferencia de calor como. La tarea se completa seleccionando un intercambiador de calor que tenga un área de transferencia de calor igual o mayor que 𝐴𝑠. 40 Tema 7. Intercambiadores de calor SELECCIÓN DE UN NTERCAMBIADOR El método de efectividad ε-NTU es fácil de usar en el análisis de intercambiadores de calor cuando se conocen las temperaturas y las capacidades caloríficas de ambos fluidos: 1. A partir de las capacidades caloríficas obtenemos 𝐶𝑚𝑖𝑛 y 𝐶𝑚𝑎𝑥 𝑚ሶ 𝑐 · 𝑐𝑝,𝑐 = 𝐶𝑐 𝑚ሶ 𝑓 · 𝑐𝑝,𝑓 = 𝐶𝑓 𝐶𝑚𝑖𝑛 = 𝑚𝑖𝑛(𝐶𝑓 , 𝐶𝑐 ) 2. Con 𝐶𝑚𝑖𝑛 y la diferencia de temperaturas obtenemos la máxima transferencia de calor posible: 𝑄𝑚𝑎𝑥 = 𝐶𝑚𝑖𝑛 · 𝑇𝑐,𝑒 − 𝑇𝑓,𝑒 3. Con el área de transferencia y el coeficiente global de transferencia de calor obtenemos NTU: 𝑈 · 𝐴𝑠 𝑁𝑇𝑈 = 𝐶𝑚𝑖𝑛 4. Con el tipo de intercambiador, c y NTU calculamos la efectividad ε. 5. Con la efectividad y 𝑄𝑚𝑎𝑥 obtenemos la Q real. 6. Con la Q real, los caudales y las temperaturas de entrada obtenemos la temperatura de salida con los balances entálpicos en ambas corrientes. 41 Tema 7. Intercambiadores de calor SELECCIÓN DE UN INTERCAMBIADOR Los intercambiadores de calor son dispositivos complicados, y los resultados obtenidos con los enfoques simplificados presentados deben usarse con cuidado. Por ejemplo, asumimos que el coeficiente de transferencia de calor general U es constante en todo el intercambiador de calor y que los coeficientes de transferencia de calor por convección se pueden predecir utilizando las correlaciones de convección. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la incertidumbre en el valor previsto de usted puede incluso superar el 30 por ciento. Por lo tanto, es natural tender a sobredimensionar los intercambiadores de calor para evitar sorpresas desagradables. La mejora de la transferencia de calor en los intercambiadores de calor suele ir acompañada de una mayor caída de presión y, por tanto, de una mayor potencia de bombeo. Por lo tanto, cualquier ganancia de la mejora en la transferencia de calor debe sopesarse con el coste en consumo de bombas asociado. Además, se debe pensar qué fluido debe pasar a través del lado del tubo y cuál a través del lado de la carcasa. Por lo general, el fluido más viscoso es más adecuado para el lado de la carcasa (mayor área de paso y, por lo tanto, menor caída de presión) y el fluido con mayor presión para el lado del tubo. 42 Tema 7. Intercambiadores de calor SELECCIÓN DE UN INTERCAMBIADOR Un ingeniero que observa los catálogos de los fabricantes de intercambiadores de calor se sentirá abrumado por el tipo y la cantidad de intercambiadores de calor disponibles en el mercado. La selección adecuada depende de varios factores: Calor transferido: aplicar los métodos de dimensionado Coste: tener en cuenta tanto los costes de inversión, como de operación y mantenimiento. Evaluar los ahorros que suponen su uso frente a no usarlo para valorar la viabilidad económica Potencia de bombeo: evaluar los incrementos de coste asociados al consumo de bombas en ambos lados del intercambiador teniendo en cuenta las pérdidas de presión asociadas al intercambiador de calor. Tamaño y peso: tener en cuenta las restricciones de tamaño y peso, especialmente en aplicaciones como la automoción y la aeroespacial. Tipo: El tipo de intercambiador depende principalmente del tipo de fluidos involucrados, las limitaciones de tamaño y peso, y la presencia de cualquier proceso de cambio de fase. Materiales: es necesario tener en cuenta los efectos del estrés térmico y estructural a presiones elevadas. Además, las diferencias de temperatura de 50 °C o más entre los tubos y la carcasa planteará problemas de expansión térmica diferencial y debe tenerse en cuenta. Tener en cuenta también la corrosividad de los materiales 43 Tema 7. Intercambiadores de calor SELECCIÓN DE UN INTERCAMBIADOR EXAMEN JULIO 2024 Se enfría agua desde 18,3°C hasta 6,6°C utilizando una salmuera con una temperatura de entrada de -1,1°C, la cual experimenta un aumento de temperatura de 3,8°C. La salmuera y el agua fluyen respectivamente por el lado de los tubos y la carcasa. Determina la superficie total de intercambio de calor en una configuración del equipo (2 carcasas-4 tubos). Suponiendo que el coeficiente global medio es de 851,5 W/m2°C y la potencia calorífica de diseño es de 5862W. Justifica cada una de las decisiones y cada resultado al resolver el problema. 44 Tema 7. Intercambiadores de calor CONDENSADORES El condensador es un intercambiador de calor en el que los vapores del refrigerante a presión alta ceden su calor al medio ambiente más frío (aire o agua), hasta licuarse. Este calor a ceder es el que el refrigerante ha absorbido en el evaporador del medio a enfriar y el trabajo mecánico de compresión: 𝑄𝑐 = 𝑄𝑒 + 𝑊𝑐 La cesión de calor se hace en tres fases: 1) Por enfriamiento de los vapores secos recalentados hasta la temperatura de condensación. 2) Cesión de calor latente de condensación a temperatura y presión constante. 3) Sub-enfriamiento del líquido condensado. 45 Tema 7. Intercambiadores de calor CONDENSADORES El coeficiente global de transferencia de calor en condensadores se obtiene de forma similar, a partir de la resistencia térmica: 𝐷𝑜 1 1 1 ln 1 𝐷𝑖 = = 𝑅𝑖 + 𝑅𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 + 𝑅𝑜 = + + 𝑈𝑖 · 𝐴𝑖 𝑈𝑜 · 𝐴𝑜 ℎ𝑖 𝐴𝑖 2π𝑘𝐿 ℎ𝑜 𝐴𝑜 Por convección del fluido frigorígeno con la superficie en la pared interior del tubo (i). Por conducción de las diferentes capas. Por convección del fluido condensante con la superficie exterior de la pared (o). Por lo general ℎ𝑜 ≫ hi Grupo Medio de condensación Tipo U (W/m2ºC) Circulación natural 9-12 Aire Circulación forzada 25-30 Condensador Inmersión 230-300 es Agua Doble tubo contracorriente 700-950 Multitubulares horizontales 700-1200 Multitubulares verticales 800-1400 Convección natural De lluvia simple 250-300 Condensador De lluvia a contracorriente 800-1200 es evaporativos Tubos lisos 250-350 Convección forzada Tubos aleteados 120-175 46 Tema 7. Intercambiadores de calor CONDENSADORES Clasificación de condensadores 1. Condensadores enfriados por aire. 2. Condensadores refrigerados por agua multitubulares horizontales. 3. Condensador de serpentín 4. Condensador por agua de doble tubo 5. Condensadores evaporativos de tubos con aletas 6. Condensador atmosférico de tubos horizontales 7. Condensador atmosférico de tubos verticales 47 Tema 7. Intercambiadores de calor CONDENSADORES 1) Condensadores enfriados por aire. El elemento enfriador es el aire por convección natural (pequeños refrigeradores domésticos) o por convección forzada mediante la actuación de un ventilador (los más frecuentes). Según su forma son de tubos con aletas o de placas con aletas. Las aletas deben estar separadas de modo que ofrezcan poca resistencia al paso del aire ambiente y reduzcan la retención de polvo y pelusas. En convección forzada la velocidad del aire a su paso por el condensador debe ser de (2,5-4m/s). 48 Tema 7. Intercambiadores de calor CONDENSADORES 2) Condensadores refrigerados por agua multitubulares horizontales Son del tipo carcasa y tubo donde: El fluido frigorígeno circula carcasa condensándose en la superficie de los tubos y cayendo por gravedad al fondo de la envolvente, de donde pasa al depósito de líquido refrigerante. La limpieza se realiza circulando agua con aditivos desincrustantes. Son muy utilizados. Además de las entradas y salidas de agua y refrigerante (a contracorriente) llevan purga de aire, válvula de seguridad, purga de aceite (parte inferior) y nivel de líquido. 49 Tema 7. Intercambiadores de calor CONDENSADORES 3) Condensadores de serpentín Constituido por una envolvente metálica vertical en cuyo interior hay un serpentín de tubo liso por el que circula agua fría. El refrigerante a condensar circula entre la envolvente y el serpentín, condensando sobre la pared exterior de los tubos. Debido a la presión alta del refrigerante permite evacuar el líquido condensado en el fondo a través de un sifón. Es económico, pero presenta el inconveniente de la limpieza del serpentín y del riesgo de congelación en las paradas del sistema si la temperatura exterior baja de 0°C. Suelen emplearse en equipos de pequeña potencia. 50 Tema 7. Intercambiadores de calor CONDENSADORES 4) Condensadores enfriador por agua de doble tubo Constituidos por dos tubos concéntricos, circulando el agua de abajo hacia arriba por el de menor diámetro y el fluido frigorígeno, a contracorriente por la sección anular entre tubos, conectándose en la parte superior a la tubería de descarga del compresor. Pueden adoptar la disposición de tubos horizontales con codos desmontables para limpieza, o la más frecuente, de serpentín. 51 Tema 7. Intercambiadores de calor CONDENSADORES 5) Condensadores evaporativos de tubos con aletas: Constan de una torre enfriadora de agua por aire forzado, combinada con un condensador de tubo liso en serpentín. La superficie del tubo liso se humidifica con agua pulverizada en la cabeza de la torre, que llega fría a los tubos, al vaporizarse una parte de ella, por la corriente de aire que introduce el ventilador. En la parte superior de los pulverizadores de agua se colocan unas laminas separadoras de gotas que evitan el arrastre de agua por el ventilador. Una bandeja colectora en la parte inferior, recoge el agua y la reenvía a los pulverizadores mediante bombeo; una válvula de flotador permite la entrada de agua de red para compensar el agua evaporada. 52 Tema 7. Intercambiadores de calor CONDENSADORES 5) Condensadores evaporativos de tubos con aletas: Con este tipo de condensador se ahorra un 90% del agua que consume un condensador normal refrigerado por agua. El condensador o los ventiladores van, bien lateralmente, bien en la parte superior de la torre. El calor transferido de estos condensadores depende de la humedad relativa del aire, aumentando cuanto más seco sea. La temperatura de condensación suele estar de 4 - 7°C sobre la temperatura del agua de refrigeración. 53 Tema 7. Intercambiadores de calor CONDENSADORES 6) Condensador atmosférico de tubos horizontales Constan de dos colectores horizontales, a los que van soldados los tubos transversales de menor diámetro y ligeramente inclinados para evacuar el líquido condensado por gravedad. El gas de descarga del compresor llega al colector que tiene las conexiones más altas y se distribuye a través de los haces transversales, donde se condensa resbalando por los tubos hasta un colector inferior. El líquido condensado resbala hasta el colector contrario y de ahí al depósito de líquido. El agua se calienta al absorber calor del gas y se enfría por la evaporación parcial que produce la convección natural del aire atmosférico. Debe añadirse agua de la red para compensar la evaporación. 54 Tema 7. Intercambiadores de calor CONDENSADORES 7) Condensador atmosférico de tubos verticales Análogo a los anteriores pero vertical y las placas tubulares están al aire. La superior forma balsa de agua mediante válvula de flotador y tiene unos difusores en las bocas de los tubos que provocan una corriente laminar en espiral descendente, mientras por el centro asciende una corriente de aire que evapora parte del agua enfriándola. Los tubos pueden limpiarse con cepillos especiales sin parar la instalación. Puede utilizarse con agua de mar si está cercano o con agua dulce recirculada por una torre de enfriamiento. La temperatura de condensación se fija 10°C sobre la de entrada del agua y el salto de temperatura de esta en el condensador es de 4-6°C. 55 Tema 7. Intercambiadores de calor CONDENSADORES Método de la diferencia de temperatura logarítmica meda en condensadores Como la temperatura en el lado del refrigerante no cambia: 𝑇𝐶 − 𝑇𝑒 ) − (𝑇𝐶 − 𝑇𝑠 ∆𝑇𝑙𝑚 = 𝑇 − 𝑇𝑒 ln 𝐶 𝑇𝐶 − 𝑇𝑠 El balance entálpico en el lado del refrigerante es: 𝑄ሶ = 𝑚ሶ 𝑐 · (ℎ𝑒,𝑐 − ℎ𝑠,𝑐 ) El balance entálpico del lado de la disipación de calor si se hace con agua es: 𝑄ሶ = 𝑚ሶ 𝑎𝑔𝑢𝑎 · 𝑐𝑝,𝑎𝑔𝑢𝑎 · (𝑇𝑠,𝑎 − 𝑇𝑒,𝑎 ) El balance entálpico del lado de la disipación de calor si se hace con aire es: 𝑄ሶ = 𝑚ሶ 𝑎𝑖𝑟𝑒 · (ℎ𝑠,𝑎 − ℎ𝑒,𝑎 ) 56 Tema 7. Intercambiadores de calor CONDENSADORES EJEMPLO Dimensionar (superficie y caudal de agua) de un condensador de calor sensible por agua multitubular horizontal (U=800W/m2·ºC) cuyos datos de funcionamiento son: Potencia calorífica a evacuar 61kW, temperatura de salida del refrigerante del condensador 35ºC, temperatura de entrada del agua 20ºC. Dimensionar el flujo de aire y de agua de reposición de la torre de refrigeración necesaria para mantener el agua a 20ºC, si las condiciones del aire ambiente a la entrada de la misma son: Te = 25ºC y HRe = 50% y a la salida Ts = 28ºC y HRs = 80%. 57 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES El evaporador es un intercambiador de calor, en el que el líquido frigorígeno absorbe su calor latente de vaporización del medio a enfriar, hasta llegar a vapor saturado seco, a temperatura y presión constantes. 58 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES El refrigerante, en estado líquido a alta presión, llega a un estrangulamiento donde sufre una gran pérdida de presión (líquido a baja presión); a consecuencia de la baja presión, el líquido se vaporiza parcialmente, estado en el que entra en el evaporador. A medida que la mezcla de líquido-vapor avanza por el evaporador, va recibiendo el calor del medio a enfriar que está a mayor temperatura, y se transforma en vapor con gotas de líquido (vapor húmedo) hasta vaporizar las últimas gotas de líquido (vapor saturado); si el vapor saturado de refrigerante no ha llegado al final del evaporador, seguirá recibiendo calor del medio a enfriar pasando a vapor recalentado. La aspiración de los vapores producidos en el evaporador por parte del compresor posibilita la baja presión de vaporización del evaporador. 59 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES Para que el evaporador presente un buen rendimiento debe reunir una serie de condiciones: Presentar una gran superficie de intercambio Tener pocas pérdidas de carga al paso del refrigerante Conseguir que el vapor en la salida sea vapor saturado seco, evitando gotas de líquido en el compresor. Estanqueidad total Fácil separación del aceite para evitar que disminuya el coeficiente global de transferencia de calor y tenga un retorno seguro al cárter Desescarche fácil. 60 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES Tipos de intercambiadores 1. De acuerdo con la presencia de fluido refrigerante en el evaporador: 1.1. Inundados. 1.2. Semi inundados. 1.3. Secos. 2. Según la superficie de intercambio: 2.1. De tubos lisos. 2.2. De tubos aleteados. 2.3. De placas. 3. Según su empleo: 3.1. Para el enfriamiento de líquidos 3.2. Para el enfriamiento de aire 61 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES 1. De acuerdo con la presencia de fluido refrigerante en el evaporador 1.1. Inundados Evaporador casi lleno de líquido refrigerante manteniendo su nivel por medio de una válvula de flotador. Gran depósito, gran efectividad, gran cantidad de refrigerante, actualmente en desuso. 62 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES 1. De acuerdo con la presencia de fluido refrigerante en el evaporador 1.2. Semi inundados: Evaporador con líquido refrigerante en la parte inferior y vapor en la parte superior; llevan una serie de tubos paralelos entre dos colectores que permiten una vaporización uniforme y rápida. Consta de dos colectores, uno de líquido y otro de vapor. 63 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES 1. De acuerdo con la presencia de fluido refrigerante en el evaporador 1.3. Secos: Se llaman evaporadores secos porque el refrigerante comienza a vaporizarse en cuanto entra en el evaporador, dado que la masa del refrigerante es la mínima necesaria, se encuentra como vapor recalentado al final del evaporador. Su elemento principal es la válvula de expansión (termostática o automática) que deja pasar exclusivamente la masa de líquido igual al de vapor absorbida por el compresor. 64 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES 2. Evaporadores según la superficie de intercambio 2.1. Tubo liso: Constituidos por serpentines de tubo desnudo en espiral circular o rectangular. Se emplean en instalaciones con temperaturas de evaporación bajo cero, donde es inevitable la formación de escarcha sobre la superficie de los tubos, pero cuya limpieza es rápida. 65 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES 2. Evaporadores según la superficie de intercambio 2.2. Tubos aleteados: Formados por horquillas de tubos de cobre a los que se aplican más aletas rectangulares de aluminio, dotadas de cuellos cilíndricos para posibilitar el paso de los tubos y cuyo contacto se realiza por expansión hidráulica de los tubos contra los cuellos citados; las placas suelen ir dotadas de nervios estampados para provocar la turbulencia del fluido que las atraviesa mejorando el intercambio térmico. Pueden ser enfriados por aire o agua, su grosor varía dependiendo la temperatura. 66 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES 2. Evaporadores según la superficie de intercambio 2.3. De placas: Constituidos por soldadura de dos placas de aluminio estampadas, de modo que la estampación define el circuito del refrigerante o bien abarca el serpentín de tubos de refrigerante, rellenando el espacio entre placas, en el serpentín se dispone de una mezcla con altas propiedades térmicas que garantice la transmisión térmica entre placa y tuberías y que, además, sirva de acumulador de energía frigorífica, que se ceden cuando la instalación se para. 67 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES 3. Según su empleo 3.1. Para el enfriamiento de líquidos: De serpentín: Son evaporadores sumergidos formados por un serpentín que adoptan la forma perimetral de la cuba. El refrigerante circula por el interior de los tubos y el líquido a enfriar lo rodea completamente. A contracorriente: El refrigerante recorre la superficie anular entre tubos y el líquido a enfriar el tubo central, a contracorriente, saliendo a un depósito acumulador. Todo el evaporador está aislado térmicamente del exterior. 68 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES 3. Según su empleo 3.1. Para el enfriamiento de líquidos: De tubos transversales: Evaporadores sumergidos conformados por dos colectores entre los cuales se sitúan una serie de tubos en espina de pez para absorber las dilataciones y disminuir la altura del evaporador. De cortina: Serpentín en un plano vertical por el que circula el refrigerante. El líquido a enfriar cae desde un depósito distribuidor colocado sobre el serpentín, resbalando por gravedad sobre los tubos, hasta un depósito situado bajo el serpentín. Permite dividirlo en varios sectores. Evaporadores acumuladores de frío: En aplicaciones con cargas puntas elevadas pero breves, se emplean evaporadores con una reserva de frío, en forma de hielo, acumulado alrededor de los tubos del refrigerante, sumergidos en un depósito de “agua helada”. Son como los evaporadores de serpentín pero con separaciones mayores con las paredes. 69 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES 3. Según su empleo 3.2. Para el enfriamiento de aire: Hay que tener en cuenta que el aire atmosférico es aire húmedo y que el vapor de agua en contacto con la superficie fría de las aletas del evaporador dará primero condensación del vapor y después, si la temperatura baja de cero, escarcha de hielo que reduce la sección de paso del aire, (el coeficiente de transmisión del evaporador); por ello habrá que aumentar la separación entre aletas para instalaciones de congelación (30-40mm) y para cámaras alrededor de 0°C (4-6mm), con ciclo frecuente de desescarche. Pueden ser de tubo liso o con aletas, de circulación natural o forzada. La circulación forzada es la más generalizada ya que presenta ventajas: Los evaporadores son más compactos y reducidos Aumenta el coeficiente de transmisión Su instalación es más fácil Regulación del grado de humedad relativa 70 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES 3. Según su empleo 3.2. Para el enfriamiento de aire: Evaporadores por convección natural: La batería de tubos con aletas se coloca en techo o pared y el aire, al ponerse en contacto con las paredes del evaporador, se enfría, haciéndose más denso y cayendo por gravedad; el aire caliente del local reemplaza al aire frío, creándose la circulación de aire en el local. Evaporadores por circulación forzada: La batería va montada dentro de una caja con uno o varios ventiladores que impulsan el aire ambiente por la batería o mejor absorben el aire a través de la batería para impulsarlo al local, consiguiendo un flujo de aire más homogéneo a través de la batería y un aprovechamiento mejor de su superficie. El motoventilador se controla por termostato colocado en el local a enfriar lejos del ventilador y fuera del alcance de su impulsión. 71 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES Otro punto interesante a considerar en el proyecto es la humedad relativa a mantener, obligada por condiciones de confortabilidad o por exigencias de los productos a enfriar. Sabemos que el aire al ser enfriado fuertemente pierde humedad. Para controlar la temperatura y humedad del local la humedad y temperaturas de impulsión deberán estar sobre la recta operativa del local, que depende del factor de carga sensible del local. Tipo de evaporador % Humedad relativa deseada 75 80 85 90 ∆T Tubo liso 9-10 7 5 3 Tubo con aletas 10-13 8-10 6-8 4-6 72 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES Método de la diferencia de temperatura logarítmica meda en evaporadores Como la temperatura en el lado del refrigerante no cambia: 𝑇𝑒 − 𝑇𝐸 ) − (𝑇𝑠 − 𝑇𝐸 ∆𝑇𝑙𝑚 = 𝑇 − 𝑇𝐸 ln 𝑒 𝑇𝑠 − 𝑇𝐸 El balance entálpico en el lado del refrigerante es: 𝑄ሶ = 𝑚ሶ 𝐸 · (ℎ𝑠,𝐸 − ℎ𝑒,𝐸 ) El balance entálpico del lado de la extracción de calor, si se hace con agua es: 𝑄ሶ = 𝑚ሶ 𝑎𝑔𝑢𝑎 · 𝑐𝑝,𝑎𝑔𝑢𝑎 · (𝑇𝑒,𝑎 − 𝑇𝑠,𝑎 ) El balance entálpico del lado de la extracción de calor, si se hace con aire es: 𝑄ሶ = 𝑚ሶ 𝑎𝑖𝑟𝑒 · (ℎ𝑒,𝑎 − ℎ𝑠,𝑎 ) 73 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES Método de la diferencia de temperatura logarítmica media en evaporadores U (W/m2ºC) Tubo Liso Tubo con aletas Salmuera Inundado Seco Inundado Seco Liso Aletas Expansión directa T0ºC 16 12 9 5 15 7 Aire forzada, v (m/s) 1 19 13 9 7 16 10 1,5 26 19 14 13 22 10 2 31 23 16 17 28 14 2,5 37 28 19 22 34 17 3 43 33 21 27 38 19 3,5 49 37 24 31 43 21 4 55 40 28 34 49 24 Inm. Baños reposo Capa hielo 58 47 52 Sin capa hielo 87 70 76 Inm. Baños agitado 6,5 102 77 90 74 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES Desescarche Las aperturas de puertas de las cámaras, los productos almacenados despiden humedad. Estas circunstancias ocasionan el escarchado del evaporador, al reciclar el aire húmedo del local sobre la pared del evaporador cuando está a temperatura bajo 0°C, escarchado que cristaliza en hielo, disminuye el coeficiente global de transferencia de calor. Esto trae como consecuencia una disminución de la capacidad frigorífica de la instalación, un aumento del tiempo de trabajo de la misma y un aumento del grado de humedad relativa perjudicial para la conservación de las mercancías. Por lo tanto, habrá que proceder a un desescarche periódico de las superficies del evaporador, de acuerdo con una serie de normas y sistemas que vamos a describir. 75 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES Desescarche natural En las instalaciones en las que vamos a obtener temperaturas sobre cero, el desescarche se realiza en la parada recirculando el aire de proceso, para mayor rapidez, aspirando aire exterior más caliente y evacuándolo al exterior después de cerrar las compuertas de las redes normales de los conductos de impulsión y retorno. Desescarche con calor suplementario En temperaturas a obtener bajo 0°C (productos congelados) es necesario un aporte de calor suplementario para fundir el hielo del evaporador, de otras fuentes distintas del aire: Agua Salmueras (temp. Hasta -40ºC) Calefacción eléctrica Vapor caliente de la descarga del compresor Descongelación por lluvia de agua. 76 Tema 7. Intercambiadores de calor EVAPORADORES EJEMPLO El sistema de refrigeración del ejemplo 7 del tema 4 funciona para enfriar una cámara climática que trabaja a -18ºC y 80% y cuyas condiciones ambientales de diseño son 40ºC y 20% de humedad relativa. Dimensione el condensador y el evaporador que consigan un factor de bypass de 0,15 en ambos intercambiadores y obtenga los caudales de aire necesarios en ambos equipos. Tanto el condensador como el evaporador son de tubos aleteados con convección forzada y tienen un U de 25 W/m2·ºC 77