Este documento describe diferentes tipos de intercambiadores de calor, incluyendo intercambiadores de tubo doble, compactos, de placas y regenerativos. Explica cómo se transfiere el calor entre dos fluidos a través de una pared, y cómo se puede calcular el coeficiente de transferencia de calor total. También cubre conceptos como el área superficial, la resistencia térmica y el factor de incrustación.

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Universidad Autónoma San Francisco
Escuela de
Ingeniería Mecánica
Intercambiadores de calor
Curso: transferencia de calor y masa
Docente :
Ing. BERNILLA GONZALES JORGE LUIS
Alumno:
José Luis Coyla yanqui
Joselito Coyla Y.

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Introducción
Son aparatos que facilitan el intercambio de calor
entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas
diferentes y evitan al mismo tiempo que se mezclen
. En la practica son de uso común en una amplia
variedad de aplicaciones desde los sistemas
domésticos de calefacción hasta los procesos
químicos y la Producción de energía
Suele comprender la convención de un fluido y la
conducción a través de la pared que les separa en el
análisis resulta conveniente trabajar con el
coeficiente


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Tipos de intercambiadores de calor
 El tipo mas simple consta de dos tubos concéntricos de
diámetros diferentes llamado intercambiador de calor de
tubo doble
 Otro tipo intercambiador de calor diseñado para lograr una
gran área superficial de transferencia de calor por unidad
de volumen es el compacto La razón entre el área
superficial de transferencia de calor de un intercambiador
y su volumen se llama densidad de área b. Un
intercambiador de calor con b > 700 m2/m3 (o 200
ft2/ft3) se clasifica como compacto. Ejemplos de
intercambiadores de calor compactos son los radiadores de
automóviles (b 1000 m2/m3), los intercambiadores de calor
de cerámica de vidrio de las turbinas de gas (b 6000
m2/m3), el regenerador del motor Stirling (b 15000
m2/m3) y el pulmón humano (b 20000 m2/m3). Los
intercambiadores compactos permiten lograr razones
elevadas de transferencia de calor entre dos fluidos en un
volumen pequeño y son de uso común en aplicaciones

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 La gran área superficial en los intercambiadores compactos se
obtiene sujetando placas delgadas o aletas corrugadas con poco
espacio entre sí a las paredes que separan los dos fluidos. Los
intercambiadores compactos son de uso común en la transferencia de
calor de gas hacia gas y de gas hacia líquido (o líquido hacia gas),
para contrarrestar el bajo coeficiente de transferencia de calor
asociado con el flujo de gases mediante una mayor área superficial.
Por ejemplo, en el radiador de un automóvil, del tipo compacto de
agua hacia aire, no causa sorpresa que las aletas se encuentren
sujetas en el lado del aire de la superficie del tubo.
 En los intercambiadores compactos los dos fluidos suelen moverse de
manera perpendicular entre sí y a esa configuración de flujo se le
conoce como flujo cruzado, el cual todavía se clasifica más como flujo
no mezclado o mezclado, dependiendo de su configuración
 se dice que el flujo cruzado es no mezclado en virtud de que las
aletas de placa fuerzan al fluido a moverse por un espaciamiento
particular entre ellas e impiden su movimiento en la dirección
transversal (es decir, paralelo a los tubos). Se dice que el flujo
cruzado que se ilustra en (b) es mezclado, dado que el fluido ahora
tiene libertad para moverse en la dirección transversal. En un
radiador de automóvil los dos fluidos son no mezclados. La presencia
de la mezcla en el fluido puede tener un efecto significativo sobre las
características de transferencia de calor del intercambiador.

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 Un tipo innovador de intercambiador de calor que ha
encontrado un amplio uso es el de placas y armazón(o
sólo de placas), el cual consta de una serie de placas con
pasos corrugados y aplastados para el flujo Los fluidos
caliente y frío fluyen en pasos alternados, de este modo
cada corriente de fluido frío queda rodeada por dos
corrientes de fluido caliente, lo que da por resultado una
transferencia muy eficaz de calor. Asimismo, este tipo
de intercambiadores pueden crecer al aumentar la
demanda de transferencia de calor sencillamente
montando más placas
 Otro tipo de intercambiador de calor que se relaciona
con el paso alternado de las corrientes de los fluidos
caliente y frío a través de la misma área de flujo es el
regenerativo. El intercambiador regenerativo del tipo
estático básicamente es una masa porosa que tiene una
gran capacidad de almacenamiento de calor, como la
malla de alambre de cerámica. Los fluidos caliente y frío
fluyen a través de esta masa porosa de manera
alternada. El calor se transfiere del fluido caliente hacia
la matriz del regenerador durante el flujo del mismo, y
de la matriz hacia el fluido frío durante el paso de éste.
Por tanto, la matriz sirve como un medio de
almacenamiento temporal de calor.

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EL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR TOTAL
Por lo común un intercambiador de calor está relacionado con dos fluidos que
fluyen separados por una pared sólida. En primer lugar, el calor se transfiere

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del fluido caliente hacia la pared por convección, después a través de la pared por
conducción y, por último, de la pared hacia el fluido frío de nuevo por convección.
Cualesquiera efectos de la radiación suelen incluirse en los coeficientes de
transferencia de calor por convección. La red de resistencias térmicas asociada con
este proceso de transferencia de calor comprende dos resistencias por convección y
una por conducción, como se muestra en la figura 11-7. En este caso, los
subíndices i y o representan las superficies interior y exterior del tubo interior.
Para un intercambiador de calor de tubo doble, la resistencia térmica de la pared
del tubo es
en donde k es la conductividad térmica del material de la pared y L es la longitud
del tubo. Entonces la resistencia térmica total queda

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Ai es el área de la superficie interior de la pared que separa los
dos fluidos y Ao es el área de la superficie exterior de esa misma
pared. En otras palabras, Ai y Ao son las áreas superficiales de la
pared de separación mojada por los fluidos interior y exterior,
respectivamente. Cuando uno de los fluidos fluye adentro de un
tubo circular y el otro afuera de éste, se tiene Ai =ππDiL y
Ao=πDoL (figura 11-8). En el análisis de los intercambiadores de
calor resulta conveniente combinar todas las resistencias térmicas
que se encuentran en la trayectoria del flujo de calor del fluido
caliente hacia el frío en una sola resistencia R y expresar la razón
de la transferencia de calor entre los dos fluidos como
en donde U es el coeficiente de transferencia de calor total, cuya
unidad es W/m2 · °C, la cual es idéntica a la unidad del
coeficiente de convección común, h. Cancelando T, la ecuación 11-
3 se convierte en

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Quizá el lector se está preguntando por qué se tienen dos coeficientes de
transferencia de calor totales, Ui y Uo, para un intercambiador de calor. La razón es
que todo intercambiador de calor tiene dos áreas superficiales para la transferencia
de calor, Ai y Ao, las cuales, en general, no son iguales entre sí. Nótese que UiAi =
UoAo, pero Ui diferentes Uo a menos que Ai = Ao. Por lo tanto, el coeficiente de
transferencia de calor total U de un intercambiador de calor no tiene significado a
menos que se especifique el área sobre la cual se basa. En especial, este es el caso
cuando uno de los lados de la pared del tubo tiene aletas y la otra no, ya que el área
superficial del lado con aletas es varias veces mayor que la que no las tiene.

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Valores representativos de los coeficientes totales de transferencia de calor en los
intercambiadores de calor

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Factor de incrustación
El rendimiento de los intercambiadores de calor suele deteriorarse con el paso del
tiempo como resultado de la acumulación de depósitos sobre las superficies de
transferencia de calor. La capa de depósitos representa una resistencia adicional para
esta transferencia y hace que disminuya la razón de la misma en un intercambiador.
El efecto neto de estas acumulaciones sobre la transferencia de calor se representa
por un factor de incrustación Rf el cual es una medida de la resistencia térmica
introducida por la incrustación

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ejemplo
1.Coeficiente de transferencia de calor total de un intercambiador de
calor
Se va a enfriar aceite caliente en un intercambiador de calor de tubo doble, a
contraflujo. El tubo interior de cobre tiene un diámetro de 2 cm y un espesor
despreciable. El diámetro interior del tubo exterior (el casco) es de 3 cm. Por el
tubo fluye agua a razón de 0.5 kg/s y el aceite por el casco a razón de 0.8 kg/s.
Tomando las temperaturas promedio del agua y del aceite como 45°C y 80°C,
respectivamente, determine el coeficiente de transferencia de calor total de este
intercambiador.
SOLUCIÓN Se va a enfriar aceite caliente por medio de agua en un intercambiador
de calor de tubo doble, a contraflujo. Se debe determinar el coeficiente de
transferencia de calor total. Suposiciones 1 La resistencia térmica del tubo interior
es despreciable, puesto que el material del mismo es intensamente conductor y su
espesor es despreciable. 2 El flujo del agua así como el del aceite están
completamente desarrollados. 3 Las propiedades del aceite y del agua son
constantes. Propiedades Las propiedades del agua a 45°C son (tabla A-9)
Las propiedades del aceite a 80°C son (tabla A-16)

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Análisis En la figura 11-10 se da el esquema del intercambiador de calor. El
coeficiente de transferencia de calor total U se puede determinar a partir de la
ecuación 11-5:
en donde hi y ho son los coeficientes de transferencia de calor por convección
interior y exterior del tubo, respectivamente, los cuales se deben determinar usando
las relaciones de la convección forzada. El diámetro hidráulico para un tubo circular
es el diámetro del propio tubo, Dh = D =0.02 m. La velocidad media del agua en el
tubo y el número de Reynolds son
el cual es mayor que 10000. Por lo tanto, el flujo del agua es turbulento. Suponiendo
que el flujo está completamente desarrollado, el número de Nusselt se puede
determinar a partir de

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Ahora se repite el análisis que se acaba de realizar para el aceite. Las propiedades
del aceite a 80°C son
El diámetro hidráulico para el espacio anular es
En este caso, la velocidad media y el número de Reynolds son
el cual es menor que 2300. Por lo tanto, el flujo del aceite es laminar. Si se supone
un flujo completamente desarrollado, con base en la tabla 11-3, se puede
determinar por interpolación que el número de Nusselt del lado del tubo del espacio
anular Nui correspondiente a Di/Do = 0.02/0.03 = 0.667 es
Nu = 5.45

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Entonces el coeficiente de transferencia de calor total para este
intercambiador queda
Discusión Nótese que, en este caso, U = ho ya que hi ho. Esto confirma la
afirmación hecha en párrafos iniciales de que el coeficiente de transferencia de
calor total en un intercambiador es dominado por el coeficiente de transferencia de
calor más pequeño, cuando la diferencia entre los dos valores es grande. Para
mejorar el coeficiente de transferencia de calor total y, de este modo, la
transferencia de calor en este intercambiador, se deben aplicar del lado del aceite
algunas técnicas dirigidas a la mejora, como una superficie con aletas