TEMA 1. INTERCAMBIADORES DE CALOR 1 Índice Clasificación. Regeneradores. Mezcladores o de contacto directo. Intercambiadores de lecho compacto. Intercambiadores de llama directa. Clasificación de los recuperadores. Factores de impureza. Coeficientes de convección. Coeficiente global de transferencia de calor. 2
Clasificación (I) Según la forma de trabajo: Recuperadores: los dos fluidos pasan simultáneamente sobre las dos superficies de la pared separadora. Regeneradores: los dos fluidos pasan alternativamente sobre la misma superficie de la pared separadora. Mezcladores o de contacto directo: no hay pared separadora a través de la que se intercambia el calor. De lecho compacto: es un regenerador con un medio poroso como matriz fija. 3 Clasificación (II) Según la forma de trabajo: De llama directa: un único fluido en contacto con llama a través de una superficie. 4
Regeneradores (I) Pared separadora se llama matriz. Puede ser matriz fija o rotativa. Materiales de la matriz: c p alto. k alta en dirección ^ al flujo y baja en dirección // al flujo. difusividad térmica (a) alta. coeficiente de dilatación térmica bajo. 5 Regeneradores (II) Regenerador de matriz fija: 6
Regeneradores (III) Regenerador de matriz fija doble (de lecho compacto): Doble para trabajar en continuo. 7 Regeneradores (IV) Regenerador de matriz rotativa: 8
Regeneradores (V) Regenerador de matriz rotativa: 9 Mezcladores (I) Transferencia de calor y masa (evaporación de agua). Torres de refrigeración o enfriamiento. Enfriador evaporativo. 10
Mezcladores (II) Torres de refrigeración o enfriamiento: 11 Mezcladores (III) Esquema de una torre de refrigeración o enfriamiento: 12
Mezcladores (IV) Esquema de un enfriador evaporativo: 13 Intercambiador de llama directa Esquema de una caldera industrial: 14
Recuperadores (I) Clasificación según dirección del flujo y tipo de construcción: Intercambiadores de tubos concentricos o doble tubo: En flujo paralelo. En contraflujo. 15 Recuperadores (II) Clasificación según dirección del flujo y tipo de construcción: Intercambiadores de flujo cruzado: Tubulares con aletas (flujo no mezclado). Tubulares sin aletas (flujo mezclado). 16
Recuperadores (III) Clasificación según dirección del flujo y tipo de construcción: Intercambiadores de carcasa y tubos: 17 Recuperadores (IV) Intercambiadores de carcasa y tubos: 18
Recuperadores (V) Intercambiador de carcasa y tubos: Componentes. 19 Recuperadores (VI) Intercambiadores de carcasa y tubos: Se subdividen según el número de pasos de cada fluido por los tubos y por la carcasa. 20
Recuperadores (VII) Intercambiadores de carcasa y tubos: Con deflectores en el lado de la carcasa para aumentar la turbulencia y crear flujo cruzado. 21 Recuperadores (VIII) Clasificación según dirección del flujo y tipo de construcción: Intercambiadores de calor compactos: Se busca área de transferencia de calor por unidad de volumen muy alta (> 700 m 2 /m 3 ). Formados por complejos arreglos de tubos (planos o circulares) con aletas (de placa o circulares). Se usan cuando uno de los fluidos es gas. Secciones de paso pequeñas flujo laminar. 22
Recuperadores (IX) Intercambiadores de calor compactos: 23 Factores de impureza Fluido Agua de mar y agua tratada para alimentación de una caldera (T < 50 ºC) Agua de mar y agua tratada para alimentación de una caldera (T > 50 ºC) R f (m 2 K/W) 0,0001 0,0002 Agua de río (T < 50 ºC) 0,0002-0,001 Aceite de motor 0,0009 Líquidos refrigerantes 0,0002 Vapor (no aceitoso) 0,0001 24
Coeficientes de convección Proceso Fluido h (W/m 2 K) Convección libre Gases 2-25 Convección libre Líquidos 50-1.000 Convección forzada Gases 25-250 Convección forzada Líquidos 50-20.000 Convección con cambio de fase Ebullición 2.500-25.000 Convección con cambio de fase Condensación 5.000-100.000 25 Coeficiente global de transferencia de calor Combinación de fluidos U (W/m 2 K) Agua con agua 850-1.700 Agua con aceite 110-350 Condensador de vapor (agua en tubos) 1.000-6.000 Condensador de amoniaco (agua en tubos) 800-1.400 Condensador de alcohol (agua en tubos) 250-700 Intercambiador de calor de tubos con aletas (agua en tubos, aire en flujo 25-50 cruzado) 26
Bibliografía F. P. Incropera y D. P. De Witt, Fundamentos de Transferencia de Calor, 4ª edición, Pearson Educación, México, 1999. F. Kreith y M. S. Bohn, Principios de Transferencia de Calor, 6ª edición, Thomson, Madrid, 2002. A. Bejan, Heat Transfer, 1 st edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1993. 27