EXPOSICION

EFICIENCIA DE UN INTERCAMBIADOR

Se define como la relación entre la potencia térmica transmitida y la que teóricamente podría transmitir, como máximo.

Donde:

P = Potencia intercambiada, en vatios.
Pmax=Potencia máxima que podría intercambiar, en vatios.
mf= caudal másico, en Kg por segundo.
Cpf= calor especifico a presión constante, en Kj/Kg K
Tf1= temperatura de entrada del fluido frio. En ºC
Tf2= temperatura de salida del fluido frio. ºC
Tf3= temperatura a la que se igualarían los dos fluidos.

El problema que se presenta en seguida nos plantea, Que se desconoce la temperatura 2 a la que, hipotéticamente, se igualarían las de los fluidos, así como la temperatura tf2 de salida del fluido frio.

En la siguiente figura resulta evidente que la diferencia (t2-tf1),que constituye el denominador, es menor que (tc1 – tf1), de las temperaturas de entrada de los fluidos.

Solamente si se produjese un cambio de estado en el fluido caliente, por ejemplo, serian coincidentes, figura, siguiente; pero en este no es el caso que nos habríamos planteado.

Volviendo al caso general, vemos que, sustituyendo el denominador por esta diferencia, que si es conocida, podríamos obtener un valor para N menor que el que le correspondería realmente.

Si aceptamos como valido este cambio, la expresión de la eficiencia del intercambiador quedara:

Esto significa: la diferencia de temperatura del fluido frio, dividida por la diferencia entre las temperaturas de entrada del fluido caliente y la del frio.

NUMERO DE UNIDADES DE TRANSFERENCIA DE CALOR (NUT)

El NUT es un número adimensional que sirve para expresar el rendimiento de un intercambiador y se define por la siguiente expresión:

Es decir, el NUT es el cociente entre: el coeficiente global de transmisión multiplicado por la superficie de intercambio y el menor de los productos obtenidos al multiplicar el caudal máximo por el calor especifico, de cada uno de los fluidos.

Observamos que se pueden obtener dos cocientes, uno para el fluido caliente y otro para el frio:

Como el numerador es el mismo, aquella fracción cuyo denominador sea más pequeño nos dará el NUT del intercambiador.

RELACION DE LAS CAPACIDADES CALORIFICAS DE LOS FLUIDOS.

La 'capacidad calorífica' de un cuerpo es razón de la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo en un proceso cualquiera por su cambio de temperatura correspondiente

La capacidad calorífica no debe ser confundida con la capacidad calorífica específica o calor específico, el cual es la propiedad intensiva que se refiere a la capacidad de un cuerpo para almacenar calor. Y es la razón de la capacidad calorífica entre la masa del objeto. El calor específico es una propiedad característica de las sustancias y depende de las mismas variables que la capacidad calorífica.

Entendiendo la definición anterior de la capacidad calorífica obtendremos que:

Según la norma UNE ENV 305, tomando en abscisas el NUT y en ordenadas la eficiencia, la grafica que representa la relación de capacidades del cambiador seria la obtenida de las figuras siguientes:

Como vemos, los valores de la relación de capacidades están limitados entre 0 y 1.

Para resolver el problema anterior del cálculo de un intercambiador, en el que se desconoce la temperatura de salida de los fluidos, se calculan NUT y R y, mediante las graficas anteriores, se obtiene la eficiencia n del intercambiado. Conocida esta relación, podemos obtener las temperaturas de salida de los fluidos.

ENSUCIAMIENTO DE LOS INTERCAMBIADORES

El agua lleva sales minerales disueltas, gases y partículas de otras materias en suspensión.
Por su parte, los líquidos acuosos con los que nos encontramos mas frecuentemente (vino, leche, zumos) incorporan, además azucares, ácidos orgánicos y otra gran variedad se sustancias orgánicas e inorgánicas.

Las concentraciones de sales en el agua varían en función de su procedencia, así como de los posibles tratamientos previos que haya sufrido (potabilización).

PRINCIPALES SALES DISUELTAS EN EL AGUA

· Carbonato cálcico = CaCO3
· Bicarbonato cálcico = Ca(HCO3 )2
· Carbonato magnésico = MgCO3.
· Bicarbonato magnésico = Mg(HCO3)2
· Sulfato cálcico = CaSO4
· Sulfato magnésico = MgSO4
· Silicato cálcico = CaSiO3
· Silicato magnésico = MgSiO3
· Cloruro cálcico = CaCl2
· Cloruro magnésico = MgCl2

GASES

· Nitrógeno = N2
· Oxigeno = O2
· Dióxido de carbono = CO2
· Cloro = Cl2

El contacto con los metales da lugar a diferentes comportamientos con la superficie de los mismos, de los que destacaremos dos:

a) Incrustación
b) Corrosión.

La incrustación consiste en la formación de una capa dura, un depósito compacto y adherente, que se forma sobre la superficie metálica, recubriéndola de carbonatos, como se deduce de la siguiente reacción:

La eliminación del CO2 durante los procesos, sobre todo al calentar, desplaza el equilibrio hacia la derecha, lo que favorece la deposición de carbonato en forma de cristales insolubles.

La capa va aumentando de espesor a lo largo del tiempo, llegando incluso a colmatar la luz de los tubos. Impidiendo el paso de los fluidos.

La transmisión del calor se ve muy perjudicada por este fenómeno pues, por una parte impide el contacto de los fluidos con la superficie de la pared y, y por otra, supone la transformación de lo que inicialmente era una pared sencilla en una pared compuesta por varias capas. Ello acarrea la consiguiente modificación del coeficiente de transmisión del calor en sentido negativo.

Como es lógico, el fenómeno tiene lugar en todas las situaciones en las que se produzcan el contacto del agua con los metales, por lo que no es exclusiva de los intercambiadores. Aunque la mencionemos aquí, deberemos volver a citarla al hablar de las torres de refrigeración, calderas de vapor, redes de distribución, etc.

Las condiciones de hierro y zinc son especialmente propensas a este problema, máxime si lo que circula es agua caliente. Por el contrario, en el cobre, el latón y los materiales plásticos se produce una adherencia a la superficie muy pequeña.

La corrosión es un fenómeno superficial por el que, al reaccionar el dióxido de carbono, los cloruros y los sulfatos disueltos en el agua con el metal, dan lugar a la aparición de una capa, que puede ser hidróxidos de hierro (en las tuberías de este elemento) o carbonatos y sulfatos, en las de cobre.

Los mecanismos de formación en este caso se hallan en las reacciones químicas siguientes:

Valgan estas reacciones a titulo de ejemplo, aunque se pueden mencionar algunas otras, pues la cantidad de iones posibles presentes en el agua es muy variada, como ya hemos expuesto.

Se enumeran tres tipos de corrosión, que se denominan:

a) Por picadura
b) Electrolítica
c) Por aireación

La corrosión por picaduras se denomina así porque sus consecuencias finales son la formación de una perforación en el metal.

El origen de la picadura se halla en las partículas solidas que se encuentran en suspensión ene l agua. Cuando una de estas partículas se deposita sobre el metal, se produce la formación de una pequeña pila, con su ánodo y su cátodo, que va atacando la pared.

Como consecuencia, se generan una serie de compuestos (hidróxidos), que se acumulan en el entorno del punto donde se da el proceso.

La corrosión electrolítica se produce cuando, en una misma instalación, se empalma componentes de metales diferentes. Es muy frecuente encontrarnos un tubo de hierro que se une con toro de cobre al realizar una reparación o una modificación.

Estas conexiones dan lugar a la formación de una pila en la que el hierro es el ánodo y, por tanto, el cobre el cátodo.

El instalador debe saber que, para evitar la corrosión, el hierro debe situarse antes del cobre y que hay que colocar entre ambos un material aislante (junta de plástico) o manguito antielectrolitico.

La corrosión por aireación se produce cuando el oxigeno disuelto en el agua se pone en contacto con el metal puro. Va asociada al proceso de corrosión por picadura pues, como es sabio, los metales en contacto con el aire forman una capa protectora de oxigeno.

Por todo lo mencionado antes, la limpieza periódica de los intercambiadores se hace imprescindible, con el objeto de eliminar, en lo posible, la capa de depósitos que se va a acumulando y que es tan perjudicial para la transmisión del calor.

La limpieza puede realizarse por medios mecánicos, rascando y frotando las superficies, o bien mediante el uso de productos químicos que disuelvan y arrastren los depósitos.

El problema del ensuciamiento justifica sobradamente la importancia del buen diseño de los intercambiadores, que debe contemplar la accesibilidad al interior de lo mismos, a la que ya nos habíamos referido en párrafos anteriores.

En relación directa con esta cuestión, esta también el montaje y desmontaje del equipo, que incide sobre los gastos de mantenimiento. Todo ello se traduce finalmente en la mejora del rendimiento del intercambiador.

Por su puesto, en el origen del problema se debe tener en cuenta el tema de la calidad de las aguas y los posibles tratamientos para su acondicionamiento, que como método preventivo resulta imprescindible. No obstante, y a pesar de su enorme importancia, no abordaremos aquí tal tema, pues estimamos que corresponde a los contenidos de otras disciplinas.

FACTOR DE ENSUCIAMIENTO

Las capas dispuestas sobre la pared, por ensuciamiento, se comportan como resistencias térmicas que se van añadiendo a la inicial.

La velocidad de formación y el espesor de estas capas dependen de numerosos factores: material de la pared, estado de la superficie, tipo de fluido utilizado, caudal y velocidad, tiempo de utilización, etc.

La resistencia térmica de la pared de intercambio, cuando esta aun sin utilizar, venia dada por:

Donde:

KL= coeficiente global de transmision, cuando el intercambiador esta completamente limpio.

Al adicionarse nuevas capas, debemos añadir sumandos que cuantificaran la resistencia térmica generada por las capas de ensuciamiento.

Si llamamos Ks al coeficiente global del intercambiador, después de un tiempo de utilización:

Para mayor comodidad, englobaremos los nuevos sumandos en uno que denominaremos factor de ensuciamiento y designaremos con la letra Fe ,con lo que podremos escribir:

Para compensar el ensuciamiento, y prevenir la obsolescencia del intercambiador con un tiempo de utilización breve, lo que se suele hacer en la práctica es sobredimensionarlo inicialmente.

Como anotamos al describirlo, los intercambiadores de placas se ensucian menos que los tubos, debido al régimen de circulación de los fluidos y ala mejora de las superficies de las placas, que disminuyen la adherencia. En consecuencia, el sobredimensionamiento en este tipo de intercambiadores debe ser menor que en los tubos.