Transferencia de Calor Aplicada: Aislamiento Crítico, Convección y Funcionamiento de Intercambiadores

Conceptos Fundamentales de Transferencia de Calor

Radio Crítico de Aislamiento

La adición de aislante a una pared plana siempre disminuye la transferencia de calor y aumenta la resistencia térmica de la pared.

Sin embargo, la adición de aislante en un tubo cilíndrico o esfera aumenta la resistencia a la conducción de la capa de aislamiento, pero disminuye la resistencia convectiva de la superficie. El radio para el cual la transferencia de calor es máxima se conoce como radio crítico de aislamiento.

Mecanismo de la Convección y Número de Nusselt

La velocidad de transferencia de calor a través de un líquido es significativamente mayor por convección que por conducción. El Número de Nusselt (Nu) es un parámetro adimensional que representa la mejora de la transferencia de calor a través de una capa de fluido como resultado de la convección en relación con la conducción. Cuanto mayor es el Nu, más eficaz es la convección.

Esta transferencia depende de varios factores:

• Para el fluido: viscosidad, densidad, conductividad térmica, velocidad del fluido.
• Para la superficie sólida: la geometría y la rugosidad.

Capa Límite de Velocidad

La capa límite de velocidad es la región del flujo adyacente a una superficie sólida, limitada por una distancia δ, en la cual los efectos de las fuerzas cortantes viscosas (debidas a la viscosidad del fluido) son significativos. Se define comúnmente como el punto donde la velocidad del fluido alcanza el 99% de la velocidad de la corriente libre (V∞), es decir, u(y=δ) = 0.99V∞.

Capa Límite Térmica y Número de Prandtl

La capa límite térmica aparece cuando un fluido a una temperatura dada fluye sobre una superficie a distinta temperatura. Se define como la región donde la variación de temperatura es significativa. El espesor de la capa límite térmica (Δt) se define como el punto en el que la diferencia de temperatura (T − Ts) es igual al 99% de la diferencia total de temperatura (T∞ − Ts), es decir, (T(y=Δt) − Ts) = 0.99(T∞ − Ts).

El espesor térmico aumenta en la dirección del flujo. El Número de Prandtl (Pr) relaciona el espesor de la capa límite de velocidad con el de la capa límite térmica.

Flujo Laminar y Turbulento: Número de Reynolds

El tipo de flujo se caracteriza principalmente por el Número de Reynolds (Re), que relaciona las fuerzas de inercia con las fuerzas viscosas.

• Flujo laminar: Se caracteriza por líneas suaves de corriente y un movimiento ordenado. Es típico de líquidos muy viscosos que se mueven lentamente por tubos lisos.
• Flujo turbulento: Presenta fluctuaciones aleatorias en la velocidad y un movimiento desordenado y caótico.
• Transición: Régimen de flujo que fluctúa entre laminar y turbulento. La transición depende de factores como la geometría de la superficie, la rugosidad superficial, la velocidad del flujo, la temperatura de la superficie y el tipo de fluido.

Intercambiadores de Calor

Tipos de Intercambiadores de Calor

• Intercambiadores de calor compactos: Diseñados para lograr una gran superficie de transferencia de calor por unidad de volumen (ejemplo biológico: el pulmón).
• Intercambiadores de flujo cruzado: Los fluidos fluyen perpendicularmente entre sí. Pueden ser de flujo mezclado (uno de los fluidos fluye libremente) o sin mezclar (ambos fluidos están confinados en canales específicos).

Factor de Incrustación

El rendimiento de los intercambiadores de calor a menudo disminuye con el tiempo debido a la acumulación de depósitos (incrustaciones) sobre las superficies de transferencia de calor. Esta capa de depósito representa una resistencia térmica adicional, cuantificada por el factor de incrustación (Rf).

La formación de incrustaciones tiende a aumentar con:

• El aumento de la temperatura de operación.
• El aumento del tiempo de funcionamiento.
• La disminución de la velocidad de los fluidos (que puede favorecer la sedimentación).

Métodos de Cálculo para Intercambiadores de Calor

Método de la Diferencia Media Logarítmica de Temperatura (LMTD)

El método LMTD (ΔTlm) se utiliza típicamente para el dimensionamiento de intercambiadores de calor. Es adecuado cuando se conocen las temperaturas de entrada y salida de ambos fluidos y se desea calcular el área de transferencia de calor requerida (As).

Método de la Efectividad-NTU

El método de la efectividad-NTU se emplea cuando se conoce el tamaño y tipo del intercambiador y se desea predecir las temperaturas de salida de las corrientes de fluido caliente y fría, o la razón de transferencia de calor (Q).

La efectividad (ε) es la relación entre la transferencia de calor real y la máxima transferencia de calor posible. El Número de Unidades de Transferencia (NTU) se define como NTU = UAs / Cmin, donde U es el coeficiente global de transferencia de calor, As es el área de transferencia y Cmin es la capacidad calorífica mínima. Cuanto más grande es el NTU, más grande (o térmicamente más efectivo) es el intercambiador.

Dimensionamiento de Intercambiadores de Calor (Usando LMTD)

El método LMTD es adecuado para determinar el tamaño (área As) de un intercambiador si se conocen las velocidades de flujo de masa y las temperaturas de entrada y salida deseadas. El procedimiento general es:

1. Seleccionar el tipo de intercambiador adecuado para la aplicación.
2. Determinar las temperaturas de entrada y salida faltantes y la tasa de transferencia de calor (Q) mediante un balance de energía.
3. Calcular la diferencia media logarítmica de temperatura (ΔTlm) y el factor de corrección (F), si es necesario (para configuraciones distintas a flujo paralelo o contracorriente puro).
4. Obtener o calcular el coeficiente global de transferencia de calor (U).
5. Calcular el área de transferencia de calor requerida (As) usando la ecuación Q = U * As * F * ΔTlm. El intercambiador seleccionado debe tener un área igual o mayor a la calculada.

Criterios de Selección de Intercambiadores de Calor

La selección final de un intercambiador implica considerar varios factores:

• Tasa de transferencia de calor requerida: El objetivo principal.
• Coste: Coste inicial y de operación.
• Potencia de bombeo (Caída de presión): La mejora de la transferencia de calor puede conllevar grandes caídas de presión, requiriendo mayor potencia de bombeo y, por tanto, mayor coste energético. El coste de la electricidad asociado con las operaciones de las bombas y los ventiladores es un factor importante.
• Tamaño y peso: Restricciones de espacio o instalación.
• Tipo de intercambiador: Adecuación a la aplicación (tubo y coraza, placas, flujo cruzado, etc.).
• Materiales: Compatibilidad con los fluidos, temperatura, presión y resistencia a la corrosión.

Consideraciones adicionales:

• Generalmente, el fluido más viscoso o con menor coeficiente de transferencia de calor se coloca en el lado de la coraza (en intercambiadores de tubo y coraza) para inducir mayor turbulencia.
• El fluido con mayor presión suele colocarse en el lado de los tubos por razones estructurales.