Transferencia de Calor

Las expresiones anteriores para los coeficientes de transferencia de calor son validas para tubos limpios. Cuando se multiplica el coeficiente de transferencia de calor total, Uo por el producto del área de superficie del exterior del tubo y ΔT, nos proporciona la cantidad total de calor transferido. Por lo tanto, la cantidad Uo se llama coeficiente de transferencia de calor total basado en el área exterior, Ao. De igual modo, la cantidad Ui, dada por la ecuación (11-10), se conoce como coeficiente de transferencia de calor total basado en el área interior del tubo. Dicha distinción es necesaria, debido a que el área disponible para transferencia de calor no es constante sino se crece cuando se avanza radialmente del interior del tubo al exterior del mismo. En la tabla 11-1 se consideran algunos valores representativos de U.

Cuando consideramos fluidos de un cambista de calor fluyendo fuera y dentro de un tubo, figura 11-9b, podemos escribir la siguiente ecuación para la razón de transferencia de calor entre los dos fluidos.

En las expresiones anteriores, hh y hc son los coeficientes convectivos de transferencia de calor en el lado caliente y en el lado frío de la pared metálica, y T1 y T representan las temperaturas de dos caras de la pared. En este caso tenemos que el coeficiente de transferencia de calor total, U, es independientede hh y hc para una pared dada. El coeficiente de transferencia de calor total para cambistas de calor depende no sólo de los coeficientes convectivos de transferencia de calor, hj y ho, sino además de las superficies interior y exterior del tubo y también delas áreas de superficies, Ai y Ao, del interior y el exterior de los tubos.

Si tenemos dos fluidos separados por una pared metálica plana de conductividad k, y espesor t, y si se mantienen  los fluidos a temperaturas constantes, Th y Tc, la cantidad de calor transferido, Q,  está dado por (figura 11-9a).

Un vez que se especifican las capacidades caloríficas, las temperaturas de entrada y la cantidad de calor que se debe transferir, los principios de la termodinámica fijarán de inmediato las temperaturas de salida. Sin embargo, serán necesarios algunos cálculos de transferencia de calor para determinar cuánta área de superficie se requiere si el valor de U se conoce. Se necesitan también tales cálculos para determinar si un cambista de calor dado hará o no un trabajo requerido. La caida de presión a través de un cambista de calor está relacionado directamente con la potencia de bombeo y se relaciona indirectamente con la razón de transferencia de calor, ya que controla las velocidades de flujo y, por lo tanto, la razón de flujo de masa y los coeficientes de transferencias de calor . En realidad, la selección de un cambista de calor es un problema de optimización que involucra parámetros tales como la caída de presión, potencia de bombeo, área de superficie del cambista de calor, costo ...

Las variables que afectan la acción de un cambista de calor son las razones de flujo de masa, calores específicos, temperaturas de entrada y de salida de los fluidos calientes y fríos, área de superficie disponible para la transferencia de calor, conductividad térmica del material del tubo, grado de déposito o escamas en el interior de los tubos y los coeficientes convectivos de transferencia de calor en las superficies interior y exterior de los tubos. Usualmente, el efecto de las cuatro últimas cantidades se combina e una sola cantidad, el coeficiente de transferencia de calor total, U.

Resultan aún otros tipos de cambistas de calor, cuando se forman pasajes para flujo al incertar un número dado de tubos de secciones circular o elíptica a través de un número dado de placas paralelas. También se pueden fabricar formando, doblando y uniendo o sodando un número específico de hojas metálicas en cambistas de calor compactos (figura 11-8). Un cambista de calor compacto tiene una razón del área de transferencia de calor al volumen del cambista de calor, relativamente alta. Esta razón se conoce como densidad de área. Un valor para la densidad de área mayor que 200 pies^-1 ó 656m^-1 para un cambista de calor, indicara un cambista de calor compacto. Usualmente los cambistas de calor compactos son del tipo de flujo cruzado y se utilizan cuando las caídas de presión disponibles para mover los fluidos son limitados y cuando la carga del cambista de calor es moderada.

Hemos visto al principio de este capítulo que se pueden utilizar efectivamente aletas longitudinales y circunferenciales para incrementar la razón de transferencia de calor desde superficies. Cuando los tubos de los cambistas de calor tienen dichas aletas, clavijas o ranuras espirales, dan lugar a una clase diferente de cambistas de calor que usualmente evalúa y coteja el fabricante. Dicho tipo de cambistas de calor se utilizan cuando un líquido fluye dentro de los tubos y un gas fluye fuera de los tubos sobre las superficies extendidas. A esta categoria pertenece el radiador de un automóvil. Usualmente el gas del exterior no provocará escamadura significativa alguna y, por lo tanto, no habrá necesidad de limpiar las aletas. Se hace necesario la extensión de la superficie en vista de los valores más bajos de coeficientes convectivos de transferencia de calor para gases. En la figura 11-7 se muestran algunas de las superficies extendidas.

Para instalaciones de trabajo pesado, se utilizan cambistas de calor tipo de tubo y cáscara (figura 11-6). Usualmente las cáscaras contienen leguetas o placas verticales con pequeñas entradas en los extremos, cuyo propósito es forzar el fluido de cáscara a pasar en flujo cruzado sobre los tubos y con esto llevar una mejoria en los coeficientes de transferencia de calor. También sirven para aumentar la longitud  de trayectoria del fluido de cáscara. Un haz de tubos que consta de un gran número de tubos, a través de los cuales se mueve el fluido de tubo, se aloja dentro  de la cáscara. Los extremos de los tubos pueden tener colectores flotantes o fijos. En este último caso, sólo se pueden utilizar cambios de temperatura moderados de modo que se limiten los esfuerzos térmicos. Usualmente se usan relaciones empiricas para predecir la acción del cambista de calor de cáscara y tubo, que podría ser de tipo de un sólo paso o de múltiples pasos. Algunos de los factores  que gobi...

Los fluidos se pueden doblar alrededor una vez, dos veces o muchas más veces para lograr un diseño compacto que da por resultado cambistas con dos pasos de tubos y cuatro pasos de tubos, etc. Dicho tipo de configuraciones darán como resultado cambistas de calor que no son puramente de flujo paralelo, ni arreglos de flujo encontrado. Las lenguetas que se señalan en las figuras 11-4 y 11-5 sirven para crear turbulencias en el flujo de la cáscara, con el cual se mejora la razón de transferencia de calor. En un periodo de tiempo, se forma depósitos o escalas en la superficie interior de los tubos, requiriendo de limpieza periódica.