Aumentando la transferencia térmica en los intercambiadores de calor (1ª PARTE)

Como ocurre siempre con la energía es fácil diseñar intercambiadores de calor que funcionen pero otra cosa es conseguir que trabajen al máximo rendimiento posible. En ese sentido vamos a hablar en este nuevo artículo sobre las formas de realzar la transferencia de calor.

Las técnicas existentes para aumentar la transferencia de calor pueden ser pasivas (no requieren aplicación directa de energía externa) o activas (requiriendo energía externa). Las técnicas pasivas incluyen superficies rugosas, superficies extendidas, promotores desplazados, y dispositivos de flujo tipo vórtex. Las técnicas activas incluyen ayudas mecánicas, vibración de fluidos o superficie, y campos electrostáticos. La efectividad de una técnica para aumentar la transferencia de calor depende en gran medida del modo de transferencia de calor o tipo de intercambiador de calor al que se aplican.

TÉCNICAS PASIVAS

Serpentines de tubos: Los coeficientes de transferencia de calor para serpentines con aletas siguen las ecuaciones básicas de convección, condensación, y evaporación. El diseño de las aletas afecta los valores de las constantes y potencia exponencialmente en la ecuación. Es generalmente necesario referirse a datos de ensayo para obtener los coeficientes exactos.

Para serpentines con aletas para convección natural (serpentines de gravedad), los coeficientes aproximados pueden obtenerse considerando que el serpentín está hecho de aletas tubulares y verticales a diferentes temperaturas y aplicando las ecuaciones de convección natural. Esto es difícil porque los coeficientes de convención natural dependen de la diferencia de temperatura, que varía en diferentes puntos de la aleta.

La eficiencia de la aleta será alta (80 a 90 %) para transferencia de calor por convección natural óptima.  Una eficiencia en la aleta baja reduce la eficiencia en la punta. El coeficiente de transferencia de calor también decrece cuando el espaciamiento de la aleta decrece debido a la interferencia de las corrientes de convección de las aletas adyacentes y reducido paso del caudal. Son comunes espaciamientos entre 50 y 100 mm. Generalmente, los coeficientes altos resultan en diferencias de temperatura grandes y pequeñas restricciones de caudal.

Los serpentines por convección forzada con aletas se usan extensamente en una gran variedad de equipos. La eficiencia de las aletas para rendimiento óptimo es más pequeña que en los serpentines de gravedad debido a que el coeficiente por convección forzada es casi independiente de la diferencia de temperatura entre superficie y fluido. Las eficiencias de las aletas muy bajas debe eludirse debido a que una superficie ineficiente da una alta caída de presión (no económica). A menudo se usa una eficiencia del 70 al 90 %.

Cuando decrece el espaciamiento para conseguir un área de superficie de calor grande para transferencia de calor, el coeficiente generalmente se incrementa debido a que la velocidad del aire es más alta entre las aletas a la misma velocidad y diámetro equivalente. El límite se alcanza cuando la capa límite formada en una superficie de aleta comienza a interferir con la capa límite formada por la superficie de la aleta adyacente, resultando en una disminución del coeficiente de transferencia de calor, que puede compensar la ventaja del área de superficie más grande.

La selección del espaciamiento de la aleta para serpentines de aletas de convección forzada usualmente depende de las consideraciones prácticas y económicas, tales como fouling, formación de escarcha, drenaje de condensado, coste, peso y volumen. Las aletas para los serpentines convencionales generalmente están especiadas entre 1,8 y 4,2 mm aparte, excepto donde factores tales como la formación de escarcha necesita un espaciamiento mayor.

Hay varias formas de obtener coeficientes más altos para una velocidad de aire y superficie dada, usualmente creando turbulencia de aire, generalmente con una caída de presión mayor: (1) tubos escalonados en vez de tubos en línea en vez de tubos para serpentines de filas múltiples; (2) tubos adicionales artificiales, o collares o protuberancias hechas para formarlos materiales de aletas; (3) aletas corrugadas en vez de aletas planas; y (4) aletas en forma de persianas o interrumpidas.

Realces internos

Las superficies rugosas de la espiral se usan para mejorar la transferencia de calor en el tubo con el agua, en equipos tales como las enfriadoras inundadas. La rugosidad puede producirse mediante una indentación en espiral en la pared exterior, formando la pared interior, o insertando serpentines. Las aletas internas de espiral o longitudinales en tubos pueden producirse por extrusión o formando e incrementando sustancialmente el área de superficie. La eficiencia de las aletas extruidas pueden usualmente ser tomadas como una unidad.

Tubos con microaletas (tubos con aletas internas con alrededor de 60 aletas cortas alrededor de la superficie) son ampliamente usadas en evaporadores y condensadores con refrigerante. Debido a que el gas entrando en el condensador en la refrigeración de compresión de vapor está sobrecalentado, una porción del condensador que hace bajar la temperatura del refrigerante está en una única fase. También están disponibles algunos datos del rendimiento de una sola fase de tubos de microaletas, mostrando unos coeficientes de transmisión de calor más altos que para los tubos planos.

El factor de fricción incrementado en tubos de microaletas puede no requerir incremento de potencia si el caudal se ajusta o la longitud del intercambiador de calor se reduce.

En los sistemas de agua fría, el fouling puede, en algunos casos seriamente reducir el coeficiente U de transferencia de calor total. En general, los tubos sucios (fouled) realzados trabajan mejor que los tubos planos sucios.

Las calderas pirotubulares frecuentemente se ajustan con turbuladores para mejorar el coeficiente de transferencia de calor convectivo. También, debido a las altas temperaturas de los gases, la radiación que convectivamente se inserta a las paredes del tubo puede representar tanto como como un 50 % de la transferencia de calor total.

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