Un intercambiador de calor es un dispositivo que transfiere calor entre dos fluidos a diferentes temperaturas sin mezclar los fluidos. Las aplicaciones específicas de los intercambiadores de calor incluyen calefacción, aire acondicionado, generación de energía, recuperación de calor residual y procesamiento químico. Hoy, explicaré los tipos y el rendimiento de los intercambiadores de calor.
- Intercambiador de calor de transferencia directa: En este tipo de intercambiador de calor, fluidos fríos y calientes fluyen a través del dispositivo simultáneamente y el calor se transfiere a través de las paredes que separan los fluidos.
- Intercambiador de calor regenerativo: La transferencia de calor de tipo almacenamiento de un fluido caliente a un fluido frío se produce a través de un medio de unión en forma de matriz sólida porosa. Los fluidos fríos y calientes fluyen alternativamente a través de la matriz, el fluido caliente almacena calor en ella y el fluido frío extrae calor de la matriz.
- Intercambiador de calor de contacto directo: Este es uno en el que los dos fluidos no están separados. Cuando se transfiere calor entre un gas y un líquido, el gas burbujea a través del líquido o el líquido se rocía sobre el gas en forma de gotitas.
Tabla de contenido
Clasificación de los intercambiadores de calor según la disposición del flujo:
- Intercambiador de flujo paralelo: En un intercambiador de calor de flujo paralelo, los fluidos caliente y frío entran por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y salen por el mismo extremo.
- Intercambiador de contracorriente: En contracorriente, el fluido entra por el extremo opuesto, fluye en dirección opuesta y sale en dirección opuesta.
- Intercambiador de flujo cruzado: En el flujo cruzado, dos fluidos fluyen en direcciones perpendiculares entre sí. Los flujos cruzados se clasifican además en tipos sin mezclar y mixtos según el flujo. En la Figura 1, los fluidos tienen libertad para moverse lateralmente (paralelos al tubo), lo que da como resultado una mezcla de flujo cruzado. Muévalo paralelo al tubo. Dado que los flujos de los tubos no se mezclan, ambos fluidos no se mezclan en el intercambiador con aletas y uno se mezcla en el intercambiador sin aletas. La presencia de mezcla tiene un gran efecto en la transferencia de calor.
Clasificación por estructura:
- Intercambiador de calor de carcasa y tubos: Contiene una serie de tubos empaquetados en una carcasa. La transferencia de calor ocurre cuando un fluido fluye dentro del tubo y otro fluido fluye fuera del tubo y dentro de la coraza. deflector Por lo general, se instala para aumentar el coeficiente de convección del fluido del lado de la carcasa. turbulencia Componente de velocidad de flujo cruzado. También soporta el tubo y reduce la vibración del tubo debido al flujo.
- Intercambiador de calor de placas: Tiene una serie de placas metálicas finas rectangulares grandes que se sujetan entre sí para formar un canal estrecho de placas paralelas. Los fluidos fríos y calientes fluyen alternativamente. Son muy adecuados para aplicaciones de intercambio de calor de líquido a líquido.
- Intercambiador de calor compacto: Estos intercambiadores de calor consisten en una matriz cerrada de placas o tubos con aletas y se usan típicamente cuando un fluido es gas. Por lo tanto, tienen un pequeño coeficiente de convección. Los tubos son planos o redondos y las aletas son planas o redondas.
El coeficiente global de transferencia de calor se define en términos de resistencia térmica total a la transferencia de calor entre dos fluidos.
Durante el funcionamiento normal del intercambiador de calor, las superficies suelen estar expuestas a ensuciamiento por impurezas del fluido, formación de óxido u otras reacciones entre el fluido y los materiales de la pared. La posterior deposición de una película o incrustaciones en la superficie puede aumentar significativamente la resistencia a la transferencia de calor entre fluidos. Este efecto se puede abordar introduciendo una resistencia térmica conocida como factor de ensuciamiento. Su valor depende de la temperatura de funcionamiento, el caudal y la antigüedad del intercambiador de calor.
Por lo tanto, el factor de ensuciamiento de un intercambiador de calor nuevo es cero y su valor aumenta con el tiempo a medida que se acumulan sólidos en la superficie del intercambiador de calor.
Análisis del intercambiador de calor:
Para predecir el rendimiento de un intercambiador de calor, relacionamos la transferencia de calor con las temperaturas de entrada y salida del fluido, el coeficiente general de transferencia de calor (U) y el área total de la superficie de transferencia de calor (A).
Análisis de energía del intercambiador de calor:
Un fluido caliente con temperatura de entrada Th,I y temperatura de salida Th,o tiene calor específico cp,h y un fluido frío con temperatura de entrada Tc,i y temperatura de salida Tc,o tiene calor específico cp,c. El fluido caliente fluye a m ̇h y el fluido frío fluye a m ̇c.
Si q es la transferencia de calor total entre los fluidos caliente y frío, la pérdida de calor despreciable entre el ambiente y el intercambiador de calor, ignorando las pérdidas dinámicas y potenciales:
Esta es la ecuación de la energía.
LMTD (diferencia de temperatura media logarítmica):
La transferencia de calor q se puede escribir como
donde ΔTM es la diferencia de temperatura promedio deseada. Para realizar un análisis de intercambiador de calor, necesitamos saber ΔTM.
Para intercambiadores de calor en paralelo:
hacer algunas suposiciones
- Los intercambiadores de calor están aislados del entorno, por lo que el calor solo se intercambia entre líquidos fríos y calientes.
- Ignorando la conducción axial
- Ignorando la energía cinética y potencial
- Suponiendo calor específico y constante U
podemos escribir:
Para intercambiadores de calor de contraflujo:
Para intercambiadores de calor a contracorriente también se puede usar la fórmula anterior, solo la temperatura de punto final es diferente.
Para las mismas temperaturas de entrada y salida, el LMTD de contraflujo excede el LMTD de flujo paralelo, por lo que encontramos que el área de contraflujo es más pequeña que el intercambiador de calor de flujo paralelo para las mismas q y U.
estado:
Usar el método LMTD para el análisis de intercambiadores de calor es sencillo si se conocen las temperaturas de entrada y salida. De lo contrario, prevalecerá la ley NTU.
LMTD con perfil de temperatura:
LMTD se puede obtener fácilmente en un perfil de temperatura utilizando la fórmula a continuación.
Para intercambiadores de calor de flujo paralelo:
Para intercambiadores de calor de contraflujo:
observaciones:
Para un intercambiador de calor a contracorriente con capacidad calorífica equivalente (Ch = Cc):
≫ ΔT1 = ΔT2 = ΔTm
Todo esto se trata de intercambiadores de calor y sus tipos. Si tienes alguna duda, hazla en los comentarios.