Intercambiadores de Calor

INTERCAMBIADORES DE CALOR – Dra. Carmen Velezmoro 2012

Fenómenos de Transporte 1

Dra. Carmen Velezmoro S.

FIAL - UNALM

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Son equipos empleados para realizar el calentamiento o enfriamiento de los alimentos fluidos.

Algunos autores consideran dentro de estos equipos, aquellos donde existen dos fluidos, uno frio

y otro caliente, separados por una delgada pared de material sólido (Foust et al., 1998; Hermida,

2000). Sin embargo otros (Singh y Heldman, 2001) clasifican a los intercambiadores de calor en

dos grandes grupos: aquellos donde los fluidos no entran en contacto y aquellos en los que si

entran en contacto. Existen pues diversos tipos y diseños de estos equipos, siempre tratando de

conseguir la mayor eficiencia en la transferencia de calor (incluyendo el calor sensible y el calor

latente en algunas ocasiones). Los fluidos involucrados en este proceso pueden ser gases y

vapores, líquidos newtonianos y no newtonianos.

Para el diseño de equipos será necesario conocer las propiedades físicas de los fluidos y su

variación con la temperatura; la pérdida de carga, el área de transferencia de calor, las

temperaturas de trabajo, la velocidad de flujo y los coeficientes globales de transferencia de

calor. En algunos casos los cálculos suelen ser complejos y se hace uso de procesos iterativos.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS

Fueron inventados hace mas o menos 70 años, se han aplicado con éxito en la pasteurización de

leche, jugos y bebidas alimenticias en general. Consiste de una serie de placas, colocadas en

forma paralela, una atrás de otra sin dejar espacios intermedios y sujetas a presión. Entre las

placas se colocan empaquetaduras para evitar el escape de los fluidos. El diseño y colocación de

las placas permite que los fluidos frío y caliente circulen en forma alternada, de tal manera que

solo sean separados por el espesor de una placa, permitiendo el intercambio de calor. El flujo

puede ser en paralelo o en contracorriente.

Las placas son fabricadas de acero inoxidable y presentan superficies corrugadas que ayudan a

generar turbulencia en el flujo, incrementando la velocidad de transferencia de calor. Se emplean

con líquidos de baja viscosidad (< 5 Pa s), y en algunos casos con partículas suspendidas de

diámetros menores a 0,3 cm (Singh y Heldman, 2001).

Los intercambiadores de placas, son bastante flexibles, ya que su diseño permite fácilmente el

aumento del área de transferencia de calor (aumentando placas), así también se puede configurar




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una sección para calentamiento y otra para enfriamiento del mismo producto, por ejemplo en la

pasteurización y enfriamiento de la leche. Su limpieza es mas fácil y también el cambio de las

placas, en caso de daños. A pesar de las ventajas que presentan estos equipos las limitaciones

están en la presión de trabajo (20 atmósferas como máximo) y en la pérdida de carga que

producen.

En la siguiente figura se muestra un esquema (corte longitudinal de un intercambiador de placas)

que muestra el flujo de dos materiales en contracorriente:

Para un modelo simple, como el mostrado en la figura, el balance global de energía será:

Flujo de calor cedido por el fluido caliente = Flujo de calor absorbido por el fluido frío

ó Q = mc cpc (Te – Ts) = mf cpf (ts –te)

Para la determinación de área de transferencia de calor:

Q = U A (T)ml

Donde U= coeficiente global de transferencia de calor

A= área total de transferencia de calor

(T)ml = Media logarítmica de temperaturas

INTERCAMBIADOR DE CALOR TUBULAR

El tipo mas sencillo es el intercambiador de calor de tubos concéntricos. Se trata de dos tubos de

distinto diámetro, dispuestos uno dentro de otro. Por el tubo interior circula un fluido y por el

Te

Ts

ts te




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anillo circular que se forma entre ambos tubos, el otro fluido. El flujo de ambas corrientes puede

ser en paralelo o en contracorriente, como se muestra en las siguientes figuras:

En algunos equipos se emplean tres tubos concéntricos para aumentar la superficie de

transferencia de calor, el alimento fluye en el espacio anular formado entre los dos tubos internos

y el fluido de calentamiento o enfriamiento fluyen por el tubo interno y por el espacio anular

externo. Algunos usos en la Industria de Alimentos se han dado en el calentamiento de jugo de

naranja de 4 a 93ºC, para luego enfriar hasta 4ºC, otros como el enfriamiento del agua de lavado

para cottage cheese, de 46 a 18ºC, con agua fria; y el enfriamiento de mezclas de helado desde

12 hasta 0,5ºC con amonio (Singh y Heldman, 2001).




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También son muy utilizados en la Industria los intercambiadores de carcasa y tubos, sobre todo

en sistemas de evaporación. En este caso un fluido circula por el interior de los tubos, mientras

que el otro circula por el espacio que queda entre la parte externa de los tubos y la carcasa.

INTERCAMBIADOR DE CALOR DE SUPERFICIE RASPADA

Para evitar la formación de costras en la superficie interna de la tubería, en contacto con el

alimento que se está calentando, se ha diseñado este tipo de intercambiador, el cual raspa las

paredes de la tubería por medio de un dispositivo mecánico de paletas que gira en el interior del

tubo. El movimiento también mejora la transferencia de calor. Este tipo de intercambiador es

empleado en procesos de pasteurización, esterilización, emulsificación, cristalización, entre

otros. es además empleado especialmente para fluidos de alta viscosidad, como: sopas,

concentrados de frutas, mantequilla de maní, pasta de tomate, rellenos de pasteles, etc.

INTERCAMBIADOR DE CALOR CON INYECCION DE VAPOR

El fluido a calentar y el medio de calentamiento (vapor) se ponen en contacto. El producto es

bombeado dentro de una cámara, donde se pone en contacto con el vapor que es inyectado

también a la cámara. La temperatura del producto se eleva rápidamente, debido a la

condensación del vapor. Este equipo es empleado en la esterilización de productos como: queso

procesado, mezclas para helados, puddings, etc.




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FACTORES QUE INFLUYEN EN LA TRANSFERENCIA DE CALOR

Se pueden agrupar en tres grupos:

Factores propios del proceso

Factores de diseño

Propiedades físicas de los fluidos

Factores propios del proceso:

Caudal másico de los fluidos

Temperaturas de entrada y salida

Diseño de circulación

Caídas de presión admisibles

Factores de uso

Factores de diseño:

Dimensiones de las tuberías

Espesor de la superficie de intercambio

Material de la superficie de intercambio

Propiedades físicas de los fluidos:

Coeficientes de transmisión de calor

Calores específicos

Densidades

Viscosidades

DISEÑO DE INTERCAMBIADOR DE CALOR TUBULAR

Uno de los principales objetivos de diseño de estos equipos, es el cálculo del área de

transferencia de calor. Será necesario realizar asunciones que simplifiquen el modelo, ya que

considerando el movimiento del fluido, además de las características d transferencia de calor, se

puede tener modelos muy complejos; las asunciones son:

Condiciones de transferencia de calor en estado estable

Coeficiente global de transferencia de calor, constante en toda la tubería

No hay conducción axial de calor en la tubería

El intercambiador, estará bien aislado, por lo que se considera despreciable el calor

perdido o ganado de los alrededores.

Dependiendo de si el flujo de los fluidos, caliente y frío, es en contracorriente o en paralelo, se

calcula la Temperatura media logarítmica Tml , para lo cual se tendrá en cuenta la diferencia de

temperaturas a la entrada y a la salida del intercambiador de calor. Entonces para flujo en

contracorriente:




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Donde T1 y T2 son las diferencias de temperatura calculadas de acuerdo al siguiente gráfico:

T

T1

T2

Entrada Salida

Flujo en paralelo

T

T1

T2

Entrada Salida

Flujo en contracorriente

1

2

12ml

ln




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Para ambos casos el calor total transferido en el intercambiador se calcula como:

Q = UA (Tml)

Donde el (Tml) se calcula de acuerdo al tipo de flujo que se presenta en el intercambiador

PROBLEMA

Un alimento líquido (cp = 4 kJ/kg ºC) fluye en el tubo interno de un intercambiador tubular de

doble tubo. El alimento entra al intercambiador a 20ºC y sale a 60ºC. La velocidad de flujo del

alimento líquido es 0,5 kg/s. En el espacio anular, entra agua caliente a 90ºC , que fluye en

contracorriente a 1kg/s. El calor específico del agua es 4.18 kJ/kg ºC. Asumir condicones de

estado estable.

1) Calcular la temperatura del agua a la salida

2) Calcular la diferencia media logarítmica

3) Si el coeficiente global de transferencia de calor es 2000W/m2 ºC y el diámetro del tubo

interno es 5 cm, calcular el largo de la tubería.

4) Repetir considerando una configuración en paralelo

BIBLIOGRAFÍA

Foust A., Wenzel L., Clump C., Maus L. y Andersen L. 1998. Principios de Operaciones

Unitarias. Editorial CECSA. México. 752 p.

Hermida J.R. Fundamentos de Ingeniería de Procesos Agroalimentarios. 2000. Ediciones Mundi-

Prensa. España. 463 p.

Ibarz A. y Barbosa-Cánovas G. Operaciones Unitarias en la Ingeniería de Alimentos. 1999.

Technomic Pub. Co. USA. 879 p.

Singh P. y Heldman D. 2001. Introduction to Food Engineering. 3rd

Edition. Academic Press.

USA. 659 p.

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