¿Cómo dimensionar un intercambiador de calor?

Para realizar el dimensionamiento de un intercambiador de calor, deben considerarse varios fenómenos térmicos:

• La convección forzada de cada uno de los 2 fluidos. La convección es la transmisión calorífica entre una pared y un fluido en movimiento, ambos con una temperatura distinta. En el caso de los intercambiadores térmicos, hablamos de convección forzada ya que se produce por circulación artificial (bombas, turbinas, ventiladores, etc.).
• La conducción. Es la transferencia de calor que se produce naturalmente a través de las paredes, placas y tubos. Este fenómeno radica en el principio de agitación térmica sin movimiento de materia.
• La radiación térmica que puede considerarse como insignificante.

ADVERTENCIA
En aras de una mayor claridad y concisión, hemos simplificado al máximo la información y los métodos de cálculo que sólo se exponen muy parcialmente y que se refieren a los casos más sencillos. En nuestra actividad diaria, el diseño de un intercambiador de calor requiere que se tengan en cuenta muchos otros parámetros y fórmulas de cálculo.

El dimensionamiento de los intercambiadores corresponde globalmente a 3 pasos:

La selección de la mejor tecnología está relacionada con:

• El programa térmico (temperaturas deseadas, rendimiento, etc.)
• La naturaleza de los fluidos
• La aplicación del cliente
• Las limitaciones de espacio y mantenimiento…Tener en cuenta todos estos elementos permite definir el tipo de intercambiador (intercambiadores de placas, intercambiadores tubulares, intercambiadores Platular®…) y los materiales a utilizar.

A veces, es la obligación de utilizar un material específico que va a influir sobre la elección del tipo de intercambiador (ej.: el titanio obligatorio en una aplicación de agua de mar no se puede utilizar para todos los tipos de intercambiadores).

2.a. Validación del programa térmico

Una vez realizada la elección tecnológica, hay que proceder al dimensionamiento del intercambiador, es decir determinar la potencia térmica, la superficie et la geometría. Primero se debe pasar en bucle los datos del programa térmico, con las 3 siguientes fórmulas.

Con estas fórmulas y en función de las necesidades del cliente, podemos deducir las demás magnitudes necesarias.

Aquí tenemos por lo tanto:

Es decir Tsalida=73 °C
Potencia total cambiada=650.000 Kcal/h es decir 756 kW

2.b. Cálculo de la superficie del intercambiador

Empezamos por definir la LMTD (por sus siglas en inglés, Diferencia de Temperatura Media Logarítmica).

La LMTD (△TLM) es la media logarítmica de los pinzamientos de temperatura a cada extremo del intercambiador.

Una vez calculado el ∆TLM y estimada la potencia total intercambiada, se puede dimensionar el intercambiador con la siguiente fórmula:

K: coeficiente de intercambio expresado en KW/°C/m2. Depende del intercambiador y es calculado por el fabricante.
S: superficie del intercambiador en m2

Quedan ahora 2 datos desconocidos: K y S.
Hay que calcular el K para estimar la superficie del intercambiador.

2.c. Cálculo de K y factor de ensuciamiento

El coeficiente de intercambio de un intercambiador viene dado por la siguiente fórmula:

h1 y h2: coeficientes de intercambio correctivos locales, calculados en base a correlaciones y números adimensionales como el Reynolds (Re), el Prandlt (Pr) y el Nusselt (Nu).

La obtención del valor K permite calcular la superficie y las dimensiones del intercambiador.

Un fluido en movimiento registra pérdidas de energía causadas por fricciones en las paredes (pérdidas de carga regulares) o accidentes de recorrido (pérdidas de carga singulares) como chicanas, por ejemplo. Esta pérdida de energía, expresada en diferencia de presión (△P), debe compensarse para permitir al fluido moverse.

Una vez dimensionado el intercambiador, se debe calcular las pérdidas de cargas del intercambiador con distintas correlaciones determinadas en función de las características de las superficies de intercambio.
Los pasos 2 y 3 se realizan en interdependencia y por iteración, como lo muestra el esquema recapitulativo abajo:

EL RENDIMIENTO DE UN INTERCAMBIADOR

No se debe confundir rendimiento y eficiencia. En efecto, se considera la ausencia de pérdida y por lo tanto que la eficiencia de un intercambiador térmico es igual a El rendimiento corresponde a la siguiente fórmula:

El rendimiento de 1 es por lo tanto un infinito imposible de alcanzar. El rendimiento es inducido por las necesidades en potencias y en temperaturas de la aplicación del cliente. Por lo tanto, en la mayoría de los casos, se fija desde la petición por el mismo cliente.