Operaciones Básicas/Intercambiadores 5.4

Intercambiadores de calor

La velocidad de transmisión de calor en un intercambiador de calor se puede expresar de la forma habitual:

$Q=U\cdot A\cdot \Delta T_{m}$; donde

U= coeficiente global de transmisión de calor para todo el intercambiador

A= superficie de intercambio

ΔTm= diferencia de temperaturas promedio entre el fluido caliente y el frío

Para intercambiadores de tubos concéntricos (y de carcasa y tubos en configuración 1-1) la ΔT media es la ΔT media logarítmica:

$Q=U\cdot A\cdot \Delta T_{ml}=U\cdot A\cdot {\frac {\Delta T_{sale}-\Delta T_{entra}}{ln({\frac {\Delta T_{sale}}{\Delta T_{entra}}})}}$

(5.12)

Para intercambiadores de carcasa y tubos con paso múltiple e intercambiadores de flujo cruzado, hay que usar un factor de corrección:

$Q=U\cdot A\cdot F\cdot \Delta T_{ml,contracorriente}$

(5.13)

Eficacia de un intercambiador

ejercicio

Problema: Calcular la máxima cantidad de calor que se podría transmitir en un intercambiador de calor en el que se calientan 8 kg/s de agua a 10 ºC con 2 kg/s de agua caliente a 70 ºC.

Dato: Cpagua= 4,2 kJ/kg-ºC

Solución:

Cc=mc·Cpc=2 kg/s·4,2kJ/kgºC=8,4kW/ºC; Cf=mf·Cpf=8kg/s·4,2kJ/kgºC=33,6kW/ºC

Si el fluido frío se calentase hasta la temperatura de entrada del caliente:

Q=Cf ·( Tc,entra -Tf.entra ) =33,6 kW/ºC ·( 70ºC-10ºC ) = 2016 kW

Con este calor intercambiado, el fluido caliente se enfriaría:

Q=Cc ·( Tc,entra -Tc,sale ) =8,4 kW/ºC ·( 70ºC-Tc,sale ) = 2016 kW

Tc,sale = -170 ºC

Por su parte si el fluido caliente se enfriase hasta la temperatura de entrada del fluido frío:

Q = Cc ·( Tc,entra -Tf,entra ) = 8,4 kW/ºC ·(70ºC-10ºC ) = 504 kW

Y con este calor intercambiado, el fluido frío se calentaría:

Q=Cf ·( Tf,sale -Tf,entra ) =33,6 kW/ºC·( Tf,sale -10ºC )= 504 kW

Tf,sale = 25 ºC

Por tanto el fluido con la razón de capacidad calorífica menor es el que antes alcanza la temperatura del otro fluido y determina el calor máximo que se puede transmitir.

Qmáx =Cmín ·( Tc,entra -Tf,entra )