Dimensionamiento de intercambiadores de calor tubulares

Definición del proceso en el cálculo y dimensionamiento de intercambiadores de calor

Para el dimensionamiento de intercambiadores de calor de manera fiable y precisa, debemos tener en cuenta varios aspectos claves en el proceso.

Un intercambiador de calor es un sistema de intercambio de energía en forma de calor entre un fluido caliente y un fluido frío. En la práctica, toda la potencia cedida por el fluido caliente (fc) es absorbida por el fluido frío (ff), cumpliéndose el siguiente balance de energía:

La potencia térmica en un fluido en estado líquido depende del caudal másico y de la diferencia entre las temperaturas de entrada y salida. En un fluido con cambio de fase en condiciones de saturación (condensación o evaporación), la potencia térmica depende del caudal másico y de la entalpía de cambio de fase, la cual viene determinada por la presión de saturación.

El proceso queda definido cuando todos los parámetros han sido fijados por el cliente, a excepción de uno, que será calculado por aplicación del balance de energía anterior. Por ejemplo:

Producto líquido (p), servicio líquido (s). Lo habitual es definir el caudal y las temperaturas de entrada y de salida del producto, y dejar libre uno de estos tres valores en el fluido de servicio:

 Producto líquido (p), servicio con cambio de fase (s). Lo habitual es definir el caudal y las temperaturas de entrada y de salida del producto, así como la presión de en el servicio, dejando libre el caudal de servicio.

Propiedades térmicas en el dimensionamiento de intercambiadores de calor

Para el diseño del intercambiador de calor es necesario conocer las siguientes propiedades térmicas, tanto para el producto como para el servicio: densidad, calor específico, conductividad y viscosidad. En general, para el diseñador es interesante conocer el valor de estas propiedades a diferentes temperaturas, dentro del rango de trabajo.

Pero en la industria alimentaria, esta información cobra una relevancia total: la viscosidad de los productos alimentarios cambia muy bruscamente con la temperatura (más acusadamente con temperaturas bajas) y es común encontrar un comportamiento no Newtoniano del producto, en el que la viscosidad depende además de la velocidad de paso por el intercambiador.

Por tanto, una caracterización adecuada de las propiedades térmicas es la base para un diseño óptimo del intercambiador de calor tubular.

Definición del intercambiador de calor

Una vez establecido el proceso y caracterizadas las propiedades térmicas de los fluidos, comienza la labor de definición del intercambiador de calor.

Elección de los materiales en el dimensionamiento de intercambiadores de calor

SACOME fabrica sus intercambiadores de calor en acero inoxidable y acero carbono, y pone al servicio de sus clientes otros materiales especiales para aplicaciones con alto riesgo de corrosión.

Elección de la geometría en el dimensionamiento de intercambiadores de calor

Esta elección dependerá del tipo de proceso y de la naturaleza del producto. El Departamento Técnico de SACOME le orientará para seleccionar el intercambiador de calor tubular adecuado, evaluando los diferentes requerimientos del cliente: velocidades de paso, pérdidas de carga, espacio disponible, etc. Las geometrías tubulares más empleadas son Tubo en Tubo, Espacio Anular y Carcasa y Tubos.

Elección de la configuración y los acabados en el dimensionamiento de intercambiadores de calor

SACOME ofrece configuraciones específicas para aplicaciones con requisitos especiales: equipos desarmables para inspección y limpieza completas;dobles placas tubulares para garantizar la no contaminación del producto, montajes inclinados para una drenabilidad total del producto, etc.

Además, SACOME garantiza acabados con rugosidad superficial controlada para aplicaciones sanitarias y aplicaciones farmacéuticas.

Dimensionamiento térmico del intercambiador de calor tubular

A partir de la definición del intercambiador de calor tubular, el punto clave en la labor del diseñador es el dimensionamiento del equipo. El diseñador debe calcular el área de intercambio óptima que permita realizar el proceso especificado, satisfaciendo todos los requisitos impuestos por el cliente.

Para ello se aplica la siguiente ecuación de transmisión, donde;Q es lapotenciaintercambiada por los fluidos,U es el coeficiente global de transferencia térmica, A es el área de intercambio y LMTD es la diferencia logarítmica media de temperaturas.

Esta ecuación debe discretizarse a lo largo del intercambiador de calor en un número suficiente de secciones: la efectividad de la transferencia de calor entre los fluidos varía a lo largo del intercambiador de calor porque, entre otros motivos, las propiedades térmicas varían con la temperatura y existen complejos fenómenos térmicos que se desarrollan a lo largo del intercambiador tubular.

Para entender el procedimiento de cálculo, puede aplicarse la ecuación de transmisión a la totalidad del intercambiador de calor, y obtener una primera aproximación al área de intercambio requerida. A continuación, se ilustra este procedimiento en un intercambiador de dos tubos concéntricos que procesa fluidos líquidos en contracorriente.

Determinación de la potencia intercambiada

Se obtiene directamente a partir de los datos de proceso ya establecidos para el producto, el cual se procesará habitualmente por el tubo interior.

Determinación de la diferencia logarítmica media de temperaturas

Se define entre dos secciones del intercambiador de calor, y depende de las temperaturas de entrada y de salida del producto y del servicio. Cuando se aplica a la totalidad del intercambiador tubular, estas cuatro temperaturas sí son conocidas; cuando se aplica sobre una discretización, hay valores a priori desconocidos y es preciso ejecutar un proceso iterativo de convergencia.

Determinación del coeficiente global de transferencia térmica

Se obtiene como la suma de cada una de las resistencias térmicas presentes:

Resistencia térmica de convección

Evalúa la transferencia de calor que se produce por convección en ambos canales de paso de fluido. Es inversamente proporcional al coeficiente de transferencia térmica del fluido, h.

En el canal de producto, siendo D_p y d_p los diámetros exterior e interior del tubo interior, es:

En el canal de servicio es:

El paso crítico en el diseño del intercambiador de calor es precisamente la determinación de los coeficientes de transferencia térmica h de una manera fiable y precisa; un cálculo erróneo de dichos coeficientes dará como resultado un funcionamiento insuficiente del intercambiador de calor tubular, llegando incluso a no alcanzar las temperaturas deseadas.

Dependiendo del canal de paso (tubo, espacio anular, etc.) y del régimen del flujo (laminar, turbulento, etc.) será necesario establecer una correlación empírica adecuada para el número de Nusselt Nu, que es el parámetro adimensional a partir del cual se obtiene el coeficiente de transferencia h. En general, el Nusselt dependerá de otros parámetros adimensionales como son el número de Reynolds, el número de Prandtl, el número de Graetz, el número de Grashof, etc.

Resistencia térmica de conducción

Evalúa la transferencia de calor que se produce por conducción en el tubo interior que separa a ambos fluidos. Para un tubo, siendo k la conductividad térmica del metal, se define como:

Resistencia térmica de ensuciamiento

Con el funcionamiento del intercambiador de calor, es habitual que en las superficies en contacto con los fluidos se vayan depositando películas formadas por las impurezas de los propios fluidos. Estas resistencias de ensuciamiento, o “fouling”, empeoran la transferencia de calor.

En aplicaciones, generalmente industriales, en las que se requiere retrasar la parada del intercambiador tubular para su limpieza, es práctica común considerar que estas resistencias extra estarán presentes desde el inicio, con lo que se sobre dimensiona el equipo. En aplicaciones alimentarias no se consideran, ya que los trabajos de limpieza son más continuos.

En el canal de producto es:

En el canal de servicio es:

Cálculo del área de intercambio requerida

Por aplicación directa de la ecuación de transmisión ya se puede obtener el área de intercambio requerida. Puesto que el diámetro del tubo interior ya ha sido fijado, la solución al problema consiste en obtener la longitud total del intercambiador L_t:

El resultado obtenido es el área teórica requerida. Pero es necesario seleccionar una longitud de tubo existente en el mercado, L: si esa longitud es menor que la teórica, entonces se requiere disponer un número determinado de intercambiadores, n, en serie.

En cualquier caso, siempre será recomendable elegir un área de intercambio mayor a la teórica, en función de la mayor o menor incertidumbre que exista a la hora de determinar las propiedades térmicas de los fluidos, las resistencias de ensuciamiento o los factores de transferencia térmica. Para cuantificar ese sobrediseño se define un coeficiente global de transferencia térmica requerido o “sucio”: