CAPITULO 13

TRANSFERENCIA DE CALOR

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CAP. 13. TRANSFERENCIA DE CALOR

A. PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIAS DE CALOR

Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas son puestos en contacto, la temperatura de ambos tiende a equilibrarse. Para que el proceso anterior ocurra debe existir una transferencia de calor del cuerpo caliente al cuerpo frío. Esta cantidad de calor que se transfiere es medible y generalmente se expresa en BTU o Calorías.

El término BTU (Unidad Térmica Británica) se refiere a la cantidad de energía que se requiere para elevar la temperatura de una libra de agua en 1ºF. Se define como caloría, la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en 1ºC a la presión de 1 atmósfera.

La transferencia de calor entre dos cuerpos puede esquematizarse de la siguiente forma:

(1) (2)

T1 T2

donde,

T1 = Temperatura del cuerpo caliente T2 = Temperatura de cuerpo frío

Si ambos cuerpos son puestos en contacto se origina una transferencia de calor en el sentido que indica la flecha. (1) (2)

Q (Calor Transferido)

La temperatura de ambos cuerpos tiende a estabilizarse en una temperatura promedio (Tm), la cual es menor que T1 y mayor que T2

Existen tres formas diferentes en las que el calor puede ser transferido del cuerpo emisor al receptor. Los procesos de transferencia de calor se describen a continuación:

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1. CONDUCCION

Es el proceso mediante el cual fluye calor desde a una región de alta temperatura a una región de baja temperatura dentro de un mismo medio (sólido, líquido o gaseoso); el efecto observable es un equilibrio de temperaturas. En la figura 1 se muestra un esquema simplificado de como ocurre este proceso.

La transferencia de calor por conducción es función de la diferencia de temperaturas entre los extremos o regiones del cuerpo considerado, de las características físicas del mismo y de una propiedad intrínseca a cada material, denominada “Conductividad térmica”, la cual es mayor en los sólidos, pasando por valores intermedios en los líquidos y menores en los gases.

La conductividad térmica mide la rapidez con que fluye calor un medio determinado; así, mientras más alto sea su valor mayor será la velocidad de transferencia de calor. Los materiales aislantes se caracterizan por tener una baja conductividad térmica.

El calor transferido por conducción puede calcularse mediante la siguiente ecuación:

Q = K x A x ∆Τ ( Ec . 1)

L

donde,

Q = Calor transferido K = Conductividad térmica del material

A = Area transversal del cuerpo L = Longitud del cuerpo ∆T = Diferencia de temperaturas (ver figura 1)

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CALOR Q T2 T1

Extremo frío Extremo Caliente

Longitud del Cuerpo

b a Area de Transferencia de Calor (A)= a x b

FIGURA 1 ILUSTRACION ESQUEMATICA DEL PROCESO DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCION

2. CONVECCION

Es el proceso mediante el cual se transfiere calor entre las partes calientes y frías de un fluido en movimiento.

Por ejemplo, si se tiene un recipiente con un líquido colocado sobre una llama, a medida que se realiza el calentamiento, el líquido que se encuentra en el fondo del recipiente se vuelve menos denso y tiende a subir a través de la parte superior fría, transmitiendo su calor por medio de mezcla a medida que asciende; cuando el mezclado es mayor, ya sea provocado por agitamiento o en forma natural, aumenta la transferencia de calor. La intensidad del mezclado está cuantificada con un número denominado “Coeficiente de transferencia de calor” el cual adquiere valores altos a medida que el mezclado aumenta y consecuentemente también aumenta la velocidad de transferencia de calor. Este coeficiente depende de ciertas propiedades intrínsecas de los fluidos.

El fenómeno anterior es el que se observa cuando se está calentando un fluido transportado por una tubería, es decir, el calor de la pared del tubo se transfiere a las porciones del fluido en contacto con esta y luego se transfiere a todo el resto de fluido por mezcla debido a la velocidad y turbulencia

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existente; así, mientras mayor velocidad tenga un determinado fluido que está siendo calentado, mayor será el coeficiente de transferencia de calor y por lo tanto mayor será la cantidad de calor que se transfiere. En la figura 2 aparece un esquema representativo de este tipo de transferencia de calor.

A (Área de transferencia de calor)

Calor Q FLUIDO Temp. T1 (Frío) Cuerpo A Temp. T2 (Caliente)

FIGURA 2 ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL PROCESO DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVENCIÓN.

Al igual que la transferencia de calor por conducción el proceso de convección depende de la diferencia de temperatura entre las regiones o medios en contacto, del área de transferencia de calor y del coeficiente de transferencia de calor del fluido en cuestión. La ecuación que rige este proceso es la siguiente:

Q = H x A x ∆T (Ec. 2)

donde,

Q = Calor transferido H = Coeficiente de Transferencia de calor

A = Área de transferencia de calor

∆T = Diferencia de temperatura 3. RADIACIÓN

Es el proceso por el cual fluye calor desde un cuerpo de alta temperatura a un cuerpo de baja temperatura, cuando estos están separados por un espacio; en este caso la energía transferida recibe el nombre de energía radiante.

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Todos los cuerpos emiten calor radiante en forma continua y la intensidad dependerá de la temperatura a la que se encuentre el cuerpo.

Las variables involucradas en este tipo de transferencia puede relacionarse según las siguientes ecuaciones:

Q = C x A (T1

4 - T24) (Ec. 3)

donde, Q = Calor transferido desde la fuente emisora a fuente receptora (BTU o

Calorías)

C = Constante A = Área de transferencia de calor de la fuente receptora. T1 = Temperatura de la fuente emisora de calor T2 = Temperatura de loa fuente receptora de calor

Como ejemplo práctico de este fenómeno de transferencia de calor se puede mencionar la radiación que se produce entre el sol y la tierra. (El sol es la fuente emisora de calor y la tierra la fuente receptora).

En la figura 3 se presenta un esquema simplificado de este tipo de transferencia de calor.

Fuente Emisora de Calor Receptor o Sumidero de Calor

CALOR Q Cuerpo 1 (T1) T1 mayor que T2 Cuerpo 2 (T2)

FIGURA 3. ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL PROCESO DE

TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACION

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Hasta ahora se han presentado las diferentes formas de transferir el calor, es necesario ahora saber como aplicar a estos principios de transferencia a nivel industrial y para esto se ha ideado y diseñados equipos especializados, cuyo objetivo básico es transferir calor. Entre ellos los más conocidos son: Los hornos, destinados a calentar productos; las calderas, destinadas a calentar agua y producir vapor y los intercambiadores, cuya función general es recuperar calor entre dos corrientes de un proceso.

B. INTERCAMBIADORE DE CALOR

Siempre que existen dos sistemas con temperaturas diferentes entre sí y se ponen en contacto, directo o indirecto, se produce una transferencia de calor. El proceso mediante el cual se lleva a cabo este fenómeno se denomina transferencia de calor. Este tipo de energía no puede ser medida, pero sí sus efectos, lo cual ha permitido la postulación de las leyes que rigen dicho fenómeno.

El flujo de calor siempre se presenta del sistema con mayor temperatura (fuente) al sistema de temperatura menor (receptor); el problema radica en determinar con que rapidez es transferida esa energía ante una diferencia de temperatura específica, para aplicar la adecuada solución a cada caso particular.

1.- CONSIDERACIONES TEÓRICAS.

Un intercambiador de calor es un equipo que permite la transferencia de calor de un fluido a otro.

El tipo más sencillo de intercambiador de calor es aquel donde se ponen en contacto directamente una corriente de fluido caliente y otra fría. En tal sistema ambos fluidos alcanzan la misma temperatura final y la cantidad de calor transferida puede calcularse igualando la energía perdida por el fluido más caliente con la energía absorbida por el fluido más frío.

Existen diversos tipos de intercambiadores, el más común es el de doble tubo concéntrico donde los fluidos están separados por una pared o una división a través de la cual fluye el calor. Debido a que las corrientes de ambos fluidos fluyen por el intercambiador una sola vez, el proceso de trasferencia de calor se llama “Intercambio de un Solo Paso”. Si ambos fluidos se desplazan en la misma dirección, el intercambiador es del tipo “Flujo en Paralelo”. Si los fluidos fluyen en direcciones opuestas el intercambiador es del tipo de “Contraflujo o Contracorriente”. (Ver figura 1).

Cuando los dos fluidos que recorren la superficie que transfiere el calor se mueven en ángulo recto entre sí, el intercambiador de calor es del tipo de

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“Flujo Cruzado Transversal”; esta es la clasificación de los conocidos “Fin Fans”. (Ver figura 2).

FIG. 1 ESQUEMA DE UN INTERCAMBIADOR SIMPLE DE TUBOS CONCÉNTRICOS Y FLUJO EN CONTRACORRIENTE.

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FIG. 2 ESQUEMA DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO CRUZADO TRANSVERSAL.

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La velocidad de transferencia de calor de un intercambiador de calor, puede expresarse mediante la siguiente ecuación.

Q = AU (LMTD) (Ec. 1) Donde:

Q = Cantidad de calor transferida, (BTU/hr).

A = Area o superficie interna de contacto entre los dos fluidos que intercambian calor, (pies2).

U = Coeficiente global de transferencia térmica del equipo; depende básicamente del tipo de fluido y la velocidad de éstos dentro del equipo, (BTU/hr pies2 °F).

LMTD = Este factor toma en consideración las temperaturas de entrada y salida de los fluidos que fluyen por el intercambiador. Se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación.

) ) (

log 3.2

) ( ) (

12

2 1

2221

tTtT

tTtTLMTD

−−

−−−= (Ec. 2)

donde:

T1 y T2 son las temperaturas de entrada y salida del fluido caliente, y t1 y t2 son las temperaturas de entrada y salida del fluido frío respectivamente. (Ver figura 1).

De la ecuación 1 se puede observar que si se incrementa el área de contacto entre lo fluidos aumenta la transferencia de calor. Para obtener una superficie mayor se puede construir el intercambiador con más de un paso a través de los tubos o la carcaza.

En la figura 3 se muestra un intrecambiador de dos pasos por los tubos y un paso por la carcaza.

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FIG. 3 ESQUEMA DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TIPO CARCAZA Y TUBOS CON ARREGLO 2 X 1.

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Considerando los fluidos que se manejan en el intercambiador de calor, se puede determinar la cantidad de calor transferida mediante la ecuación:

TCpQ ∆= ( Ec. 3)

donde:

Q = Calor transferido, (BTU/hr).

m = Es la rata de flujo del fluido que está circulando ya sea por los tubos o por la carcaza, (Lb/br). (Para el cálculo del calor entregado o recibido por el fluido que se pasa por los tubos, se usa el flujo correspondiente, y lo mismo se aplica para la carcaza).

Cp = Calor específico del fluido (tubos o carcaza). Es una propiedad típica para cada fluido en particular y se expresa en BTU/lb °F.

∆T = Diferencia entre la temperatura de salida y entrada (°F).

De acuerdo con el principio de que toda la energía liberada por el fluido caliente es absorbida por el fluido frío se tiene que:

Q caliente = Q frío (Ec. 4)

Entonces:

T caliente = T2 - T1 T frío = t2 - t1

De esta manera, si se desea conocer el estado de un intercambiador, se miden la temperatura de entrada y salida de los fluidos, su flujo y con el valor conocido de calor específico (a partir de una tabla de constantes físicas), se calcula el calor que se está transfiriendo.

2.- TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR.

De acuerdo a su función particular, se indican a continuación los principales tipos de intercambiadores de calor:

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1. CHILLERS

En este equipo se enfría el fluido de proceso a una temperatura menor que la que podría obtenerse si se usara agua o aire como refrigerantes. Entre los refrigerantes más comunes están: propano, freón, amoniaco, etc.

2. CONDENSADORES.

En estas unidades los vapores del fluido de proceso son total o parcialmente convertidos en líquidos; generalmente se usa agua como elemento enfriante.

3. CONDENSADOR PARCIAL.

Condensa los vapores hasta un punto suficientemente alto para proveer la diferencia de temperaturas apropiadas para precalentar una corriente fría del fluido de proceso.

4. CONDENSADOR TOTAL.

Condensa todos los vapores hasta la temperatura final de almacenaje.

5. ENFRIADORES.

Su función es enfriar los líquidos o gases de proceso, por medio de agua o aire.

6. INTERCAMBIADORES.

En estos equipos se efectúa un intercambio de calor entre dos corrientes de proceso con un cambio total de entalpía. El fluido frío se calienta usando un fluido caliente el cual se enfría.

7. EVAPORADORES.

Estos están diseñados para concentrar soluciones acuosas evaporando parte del agua presente.

8. CALENTADORES.

En estos equipos existe transferencia de calor sin cambio de fase. Se utilizan como fuente de calor fluidos que no son de proceso, tales como vapor o aceite caliente.

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9. REHERVIDORES.

Estos son usados para proveer el calor necesario de vaporización del producto de fondo de una torre de fraccionamiento para el proceso de destilación.

Al diseñar un intercambiador se debe primero determinar el tipo a usar, cuando se tienen dos o más tipos que cumplen todas las condiciones se debe entonces analizar el aspecto económico.

3.- CARACTERISTICAS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR MAS COMUNES.

INTERCAMBIADOR TIPO CARCAZA Y TUBOS

Este tipo de intercambiador es ampliamente usado por ser económico y fácil de limpiar. Se obtiene en muchos tamaños y puede diseñarse para moderadas o altas presiones sin costos excesivos. Comprende un haz de tubos paralelos encerrados en un tubo cilíndrico mayor, llamado carcaza. (Ver figura 4).

De estos se tienen en orden creciente de costo:

1. Un tubo simple fijado a otro.

2. Unidad de tubos en U.

3. Unidad de tubos fijos.

4. Unidad de tubos no fijos o cabezal flotante.

Sus diseños están basados en las normas TEMA (Tubular Exchanger Manufactures Asociation).

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FIG. 4 INTERCAMBIADOR DE CALOR TIPO CARCAZA Y TUBOS.

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INTERCAMBIADOR DE TUBOS EN U.

Consiste en uno o más pares de tubos dentro de la carcaza. Estos se conectan entre sí al final de su longitud recta formando una U, la mayoría tienen aletas longitudinales en la parte de afuera de los tubos.

Este tipo de unidad por su doble sección de tubos permite el flujo en contra corriente o en cocorriente.

Son muy usados en el caso de altas presiones por su relativo pequeño diámetro cuando se requieren grandes rangos de temperatura o donde la diferencia de temperatura es muy pequeña. (Ver figura 5).

CHILLERS

Son usados para procesos de refrigeración; su construcción y apariencia física es similar a un rehervidor, con la diferencia de que el material que se usa para su construcción debe ser tal que soporte bajas temperaturas. Este equipo es usado principalmente en procesos de extracción de GLP a partir del gas natural y para mantener refrigerados los productos de GLP. Lagoven, dentro de sus instalaciones, cuenta con estos equipos realizando las funciones mencionadas. (Ver figura 6).

FIN – FANS

Son equipos prácticos y económicos cuando se desea enfriar fluidos de procesos ubicados en áreas donde el agua escasea y cuando la diferencia de temperatura requerida no sea muy elevada (50 – 60 °F). El diseño usual de un enfriador por aire se basa en hacer pasar aire impulsado por un ventilador (Fan) sobre un haz de tubos provistos de unas aletas (Fin) que transportan un fluido caliente; la función de las aletas de facilitar la disposición del calor por un proceso combinado de conducción y convección.

El aire puede ser movido a través de los tubos en forma forzada, cuando el ventilador está por debajo del haz de tubos. (Ver figura 6-7 a). La otra forma es la inducida, que se diferencia básicamente de la anterior en que el ventilador se encuentra ubicado en la parte superior del haz de tubos, produciéndose un efecto de enfriamiento con el aire inducido por la succión del ventilador. (Ver figura 7 b).

La selección de uno u otro modelo depende de varios factores, por ejemplo, del espacio disponible, así el modelo de aire inducido tiene ventajas modelo, ya que puede ser colocado sobre el otro equipo sin causar problemas a su normal funcionamiento. Desde el punto de vista económico el modelo de aire forzado es ventajoso, ya que su estructura como tal es menos costosa.

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FIG. 5 ESQUEMA DE UN INTERCAMBIADOR (REHERVIDOR) DE TUBOS

EN U.

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FIG. 6 ILUSTRACIÓN ESQUEMÁTICA DE UN CHILLER.

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FIG. 7 CONFIGURACIONES TÍPICAS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CON AIRE DE ENFRIAMIENTO. (FIN FANS)

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4.- PARAMETROS OPERACIONALES.

La operación óptima de un intercambiador de calor se controla mediante dos parámetros principales: Temperatura y Presión.

1. TEMPERATURA.

En la medida que se realice un control estricto de la temperatura en un intercambiador, se conocerá el estado de operación del equipo, ya que el efecto de la transmisión de energía calórica depende directamente de los cambios de temperaturas. Debe efectuarse un control constante de la temperatura de salida del fluido tanto en el lado de los tubos como en el lado de la carcaza.

En forma práctica el control se lleva a cabo regulando los flujos de entrada circulantes en el lado de los tubos, donde se cumple la siguiente relación: Mayor flujo de entrada implica mayor velocidad y esto a su vez implica menor tiempo de resistencia del fluido, menor cantidad de calor absorbida y por lo tanto disminución de la temperatura de salida, y viceversa. (Ver Figura 8).

FIG. 8 ESQUEMA DE LOS SISTEMAS DE CONTROL DE

TEMPERATURA Y NIVEL EN UN REHERVIDOR

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Adicionalmente a lo anterior es necesario una observación directa del parámetro temperatura. Es posible que a pesar de existir un buen control, aún se observen temperaturas fuera del rango fijado, lo cual es indicativo de fallas en el equipo.

Debe existir un gradiente de temperatura uniforme a lo largo del recorrido de los fluidos por el equipo, en el caso de no observarse este gradiente esto puede ser debido a roturas de las paredes del equipo por fallas del material, bien sea de los tubos o de los deflectores o desviadores del fluido dentro de la carcaza.

Una práctica muy frecuente es la de observar los drenajes en el lado de los tubos y de la carcaza, a fin de detectar mezcla de fluidos, lo cual es indicativo de la existencia de cualquiera de las situaciones mencionadas.

2. PRESION.

Esta es la otra variable importante de observación, en la entrada y salida de tubos y carcaza. De acuerdo a las condiciones de diseño y operación del equipo, existe un máximo diferencial de presión permitido. En líneas generales la máxima caída de presión por el lado de los tubos está en el rango de 4 a 15 psig. y 1 a 10 psig. por el lado de la carcaza.

Un diferencial de presión muy elevado podría ser un indicativo de taponamiento de los tubos o incrustaciones severas, disminuyendo la eficiencia de la operación.

5.- ASPECTOS GENERALES DE CONSTRUCCIÓN Y MANTENIMIENTO.

Uno de los componentes más importantes de un intercambiador es el haz de tubos, ya que su correcta distribución influirá en gran medida, en la buena operación del equipo. Debido a esto se ha estudiado a fondo su construcción obteniéndose varios tipos de distribución, siendo los más usados aquellos en forma triangular y en forma cuadrangular como se observa en la fig. 9. La escogencia de una u otra forma dependerá del tipo de fluido “sucio” se utilizará la distribución cuadrangular debido a que el espaciamiento entre los tubos es mayor y facilita el lavado de las paredes externas de los tubos. Entonces dependiendo del diámetro de la carcaza se ajusta el número de tubos, los cuales deben sumar el área de intercambio total requerida para la transferencia.

En la fig. 10 se presentan las formas estandarizadas de los principales componentes de un equipo completo de intercambio de calor (Intercambiador de Tubos y Carcaza). Cada inicial en esta tabla corresponde a una parte del equipo; así por ejemplo: si se específica el intercambiador con el código “AFU”, quiere decir que la parte frontal es de cubierta removible (A), el tipo de

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intercambiador es de dos pasos en la carcaza (F) y el haz de tubos es del tipo U (U).

Desde el punto de vista de diseño, la selección del fluido que va a pasar por los tubos, dependerá de cuan suco sea, es decir siempre se hará fluir por los tubos el fluido más sucio y que pueda depositar sedimentos en las paredes. Este tipo de arreglo facilita las labores de limpieza, ya que es más fácil limpiar los tubos internamente (con chorros de agua a presión y cepillos especiales) que externamente.

En cuanto a los factores que influyen sobre el costo de construcción de un intercambiador, se tiene que el área requerida para la transferencia de calor es el factor más importante; así, mientras más calor se quiere transferir mayor debe ser el área de contacto y por lo tanto se requerirá mayor cantidad de material para su construcción. En segundo lugar, se considera la magnitud de los flujos y las presiones de operación del fluido, los cuales determinarán el tamaño y espesor de los materiales del intercambiador. Por último, el tipo de fluido a manejar, determina el tipo de material de construcción del intercambiador (mientras más corrosivos sean los fluidos, el material tendrá mejores propiedades y por lo tanto será más costoso.

ASPECTOS GENERALES DE MANTENIMIENTO.

Con respecto al aspecto de mantenimiento, en el diseño un intercambiador se debe prever la instalación de válvulas de bloque y de desvíos para permitir remociones temporales de la unidad para efectos de limpieza, revisión o reparación general.

Los haces de tubos de un intercambiador deben tratarse de limpiar siempre en sitio o en último caso removiéndolos de la carcaza. El tiempo de limpieza y los costos pueden minimizarse utilizando reactivos químicos o soluciones que remuevan las incrustaciones del equipo; para ello se prevén conexiones de 1 1/2 pulg. en la tubería de entrada a la carcaza a objeto de inyectar las soluciones para limpieza.

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FIG. 9 CONFIGURACIONES MÁS COMUNES DE HAS DE TUBOS.

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FIG. 10 MODELOS DE CONSTRUCCIÓN PARA ESPECIFICAR INTERCAMBIADRES.