Introducción
Un gran número de plantas de producción en numerosas industrias usan procesos en los que el calor es transferido entre diferentes fluidos. El principio básico del intercambio térmico es extremadamente sencillo, dos fluidos a diferentes temperaturas son colocados en contacto con una barrera conductiva (la pared del tubo) y el calor se transfiere desde el fluido más caliente hasta el más frio, hasta que ambos alcanzan la misma temperatura. En procesos industriales esto se realiza en intercambiadores de calor de diferentes tipos y configuraciones, específicamente diseñados y construidos para el proceso, condiciones de la planta y la aplicación.
La fuerza conductora del intercambio térmico es la diferencia de los niveles de temperatura entre los fluidos caliente y frio, cuanto mayor sea la diferencia mayor será la velocidad de con la que el calor fluirá entre ambos. Con complejas secuencias de cálculos, el diseñador debe optimizar los niveles de temperatura en cada tramo para maximizar el factor total de flujo de calor.
Un segundo factor que controla la transferencia de calor es el área de la barrera conductiva proporcionada para el intercambio de calor. Cuanto mayor sea el área mayor será también la cantidad de calor que fluya en el intercambiador de calor por unidad de tiempo, para unas diferencias de temperatura dadas. El diseñador debe minimizar este área para proporcionar soluciones económicas a su cliente y con suficiente habilidad, la cantidad de área puede ser minimizada y configurada para reducir el volumen que ocupará el intercambiador y el coste total.
El tercer y quizás mas importante factor que rige la transferencia térmica es el la frecuencia con la que el calor fluye hacia o desde cualquiera de los fluidos. Una alta resistencia al flujo de calor en cualquiera de los dos fluidos producirá una lenta transferencia de calor en general. El nivel de resistencia al flujo de calor resulta de numerosos factores entre los cuales se encuentran las características termales inherentes de los fluidos, pero pueden ser alteradas por el diseñador de un modo muy positivo mediante la generación de turbulencias en los fluidos para prevenir la creación de una 'capa límite' del fluido en contacto con la superficie de intercambio.
El cuarto factor, también sobre control del diseñador, el el flujo de calor entre la barrera conductiva existente entre los fluidos. El material elegido debe ser compatible con los fluidos del proceso, no debe corroer o contaminar un producto alimentario, debe tener un apropiado nivel de fortaleza al estress mecánico para soportar las temperaturas y presiones de trabajo y debe tener una baja resistencia al flujo de calor para que no se convierta en un factor negativo en el proceso del intercambio térmico.
Las ecuaciones matemáticas que describen el proceso del intercambio térmico son bastante sencillas:
Dónde:
- Q es la cantidad de calor transferida, W
- A es el área disponible para el intercambio térmico, m²
- DT es la diferencia de temperatura efectiva , ºK
- U es el coeficiente general de intercambio térmico, W/m².°K
El valor deU es ligeramente más dificil de calcular:
Dónde:
- h1 yh2 son los coeficientes parciales de intercambio térmico, W/m².°K.
- Rw es la conductividad térmica de la pared, m².°K/W.
- Rf1 yRf2 son los factor de ensuciamiento (fouling) de cada fluido, m².°K/W.
Mientras que los valores deRf normalmente son definidos por el cliente como resultado de la experiencia, los valores deh yRw pueden ser definidos directamente por el diseñador mediante la elección de un tubo de determinadas dimensiones, grosor y material de construcción. Los valores de los coeficientes parciales de intercambio térmicoh dependen en gran medida de la naturaleza de los fluidos pero tambien de un modo crucial, de la gometria de las superficies del intercambiador de calor con las que los fluidos están en contacto. De un modo muy importante los valores finales estan influidos por qué ocurre al nivel de la capa límite, el fluido efectivamente en contacto con la superficie de intercambio.
Procesos de Intercambio térmico
Un gran número de las investigaciones académicas que tienen lugar en los procesos de intercambio térmico se concentran en modos de predecir con exactitud los valores de resistencia de la 'capa límite' y en modos de afectar a sus valores sin pagar una penalización muy alta en términos de pérdidas de carga mayores.
Se han intentado muchas técnicas para reducir la resistencia de la capa límite en el lado del tubo, incluyendo varios tipos de 'inserciones' que toman la forma de complejas formas de alambres, cables recortes planos retorcidos y encajados dentro de los tubos y v