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SELECCIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

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Katheryne Sabino

on 2 March 2015

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EJEMPLO:
Velocidad de Transferencia de Calor
Es la cantidad más importante en la selección de un intercambiador. Un intercambiador debe ser capaz de transferir el calor con una velocidad específica para lograr el cambio deseado en la temperatura del fluido con el gasto de masa determinado.
Costo
Las limitaciones en el presupuesto suelen desempeñar un papel importante en la selección de los intercambiadores, excepto en algunos casos especiales en donde “el dinero no es lo más importante”.
Un intercambiador que existe en catálogo tiene una ventaja definida en el costo sobre los que se mandan a hacer sobre pedido.
Los costos de operación y mantenimiento del intercambiador también son consideraciones importantes en la valoración del costo total.
Potencia para el Bombeo
En un intercambiador los dos fluidos suelen forzarse para que fluyan por medio de bombas o ventiladores que consumen energía eléctrica. El costo anual de la electricidad asociada con la operación de las bombas y ventiladores se puede determinar a partir de:
SELECCIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR
Transferencia de Calor
El objetivo es calentar o enfriar cierto fluido con un gasto de masa y una temperatura conocida hasta una temperatura deseada. Por tanto, la velocidad de la transferencia de calor del intercambiador en proyecto es:

Los intercambiadores de calor son aparatos que permiten el intercambio de calor entre dos fluidos, sin permitir que se mezclen entre sí.

En un intercambiador la transferencia de calor suele comprender convección en cada uno de los fluidos y conducción a través de la pared que los separa.
En donde la potencia de bombeo es la potencia eléctrica total consumida por los motores de bombas y los ventiladores.
Tamaño y Peso
Tipos
Materiales
Otras Consideraciones
Normalmente, entre más pequeño y más ligero es el intercambiador, mejor es.
En especial, este es el caso en las industrias automotriz y aeroespacial, en donde los requisitos con respecto al tamaño y al peso son más rigurosos. Así mismo, lo normal es que a un intercambiador más grande se le etiquete con un precio más alto. El espacio del que se dispone para el intercambiador en algunos casos limita la longitud de los tubos que se puede usar.

El tipo de intercambiador que se debe seleccionar depende principalmente del tipo de fluidos que intervienen, de las limitaciones de tamaño y peso y de la presencia de cualquier proceso de cambio de fase.
Por ejemplo, un intercambiador resulta adecuado para enfriar un líquido por medio de un gas, si el área superficial del lado del gas es muchas veces la que se tiene del lado del líquido. Por otra parte un intercambiador de placa de casco y tubos es muy apropiado para enfriar un líquido por medio de otro líquido.
Los materiales que se usen en la construcción de intercambiador pueden construir una consideración importante en la selección de los intercambiadores.
Por ejemplo, En el caso de los fluidos corrosivos puede ser que tenga que seleccionarse materiales costosos resistentes a la corrosión, como el acero inoxidable o incluso el titanio, si no se desea reemplazar con frecuencia los intercambiadores.
Existen otras consideraciones en la selección de intercambiadores de calor que pueden ser importantes o no, dependiendo de la aplicación. Por ejemplo, ser herméticos es una consideración importante cuando se trata con fluidos tóxicos o costosos. En el proceso de selección de algunas otras consideraciones importantes son la facilidad para darles el servicio, un bajo costo de mantenimiento y la seguridad y confiabilidad. El silencio es una de las consideraciones importantes en la selección de los intercambiadores de líquido hacia aire que se usan en las instalaciones de calefacción y acondicionamiento del aire.
Instalación de un intercambiador de calor para ahorrar energía y dinero
13-10.
En una planta de lácteos se pasteuriza leche por medio de agua caliente alimentada por una caldera en la que se quema gas natural. A continuaciónel agua se descarga hacia un drenaje abierto en el piso a 80°C, a razón de 15 kg/min. La planta opera 24 h al día durante los 365 días del año. La caldera tiene una eficiencia de 80% y el costo del gas natural es de 0.40 dólar por therm (1 therm=105500 kJ). La temperatura promedio del agua fría que entra en la caldera en todo el año es de 15°C. El agua caliente drenada no se puede regresar a la caldera y recircularse, porque se contamina durante el proceso. Con el fin de ahorrar energía, se propone la instalación de un intercambiador
de calor de agua hacia agua para precalentar el agua fría que entra por medio del agua caliente que va al drenaje. Si se supone que el intercambiador recuperará 75% del calor disponible en el agua caliente, determine la capacidad nominal de transferencia de calor del intercambiador que se necesita comprar y sugiera un tipo adecuado. Asimismo, determine la cantidad de dinero que ahorrará este intercambiador a la compañía por año debido a los ahorros de gas natural.

SOLUCIÓN
Se va a instalar un intercambiador de calor de agua hacia agua para transferir energía del agua caliente drenada hacia el agua fría que entra con el fin de precalentar esta última. Se deben determinar la razón de la transferencia de calor en el intercambiador y la cantidad de energía y de dinero que se ahorra por año.

Hipótesis
1.- Existen condiciones estacionarias de operación.
2.- La efectividad del intercambiador de calor permanece constante.

Propiedades
Se usa el calor específico del agua a la temperatura ambiente, Cp=4.18 kJ/kg • °C (tabla A-9) y se le trata como constante.

Análisis
En la figura 13-31 se da un esquema del intercambiador de calor en
proyecto. La recuperación de calor del agua caliente será máxima cuando salga del intercambiador a la temperatura de entrada del agua fría; por lo tanto,

Es decir, la corriente existente de agua caliente tiene el potencial de suministrar calor a razón de 67.9 kJ/s hacia el agua fría entrante. Se tendería a este valor en un intercambiador a contraflujo con un área superficial de transferencia de calor muy grande. Un intercambiador de tamaño y costo razonables puede capturar 75% de este potencial de transferencia de calor.
Por lo tanto, la capacidad nominal de transferencia de calor del intercambiador en proyecto debe ser:
Es decir, el intercambiador debe ser capaz de entregar calor a razón de 50.9 kJ/s del agua caliente hacia la fría. Para este fin debe resultar adecuado un intercambiador común de calor de placas o de tubos y coraza, puesto que sus dos lados están relacionados con el mismo fluido a gastos similares y, como consecuencia, a coeficientes de transferencia de calor parecidos. (Nótese que si se fuera a calentar aire con agua caliente, se tendría que especificar un intercambiadorcon un área superficial grande del lado del aire.)

El intercambiador operará 24 h al día durante los 365 días del año; por lo tanto, las horas anuales de operación son

Horas de operación = (24 h/día)(365 días/año) = 8 760 h/año


Dado que este intercambiador ahorra 50.9 kJ de energía por segundo, la energía ahorrada durante todo un año será.

Energía ahorrada = (Razón de la transferencia de calor)(Tiempo de operación)

= (50.9 kJ/s)(8 760 h/año)(3 600 s/h)

= 1.605 = 〖10〗^9 kJ/año
Se dice que la caldera tiene una eficiencia de 80%. Es decir, por cada 80 unidades de calor suministradas por la caldera, debe alimentarse gas natural con un contenido de energía de 100 unidades. Por lo tanto, los ahorros de energía que acaban de determinarse dan por resultado ahorros de combustible en la cantidad de:


Puesto que el precio del gas natural es de 0.40 dólar por therm, la cantidad de dinero ahorrado queda:

Dinero ahorrado = (Combustible ahorrado)(Precio del combustible)

= (19 020 therms/año)(0.40 dólar/therm)

= 7 607 dólares/año

Por lo tanto, la instalación del intercambiador propuesto ahorrará a la compañía 7 607 dólares al año y es probable que el costo de esa instalación se pague en corto tiempo a partir de los ahorros de combustible.
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