Guía de cálculo del rendimiento de intercambiadores de calor (1ª PARTE)

1)     Introducción

Los intercambiadores de calor son equipos que transfieren calor de un medio a otro. El diseño apropiado, operación y mantenimiento de los intercambiadores de calor hará el proceso eficiente energéticamente y minimizará las pérdidas de energía. El rendimiento del intercambiador de calor puede deteriorarse con el tiempo, operaciones de diseño inadecuadas y otras interferencias en orden de mantenerlas en un nivel de alta eficiencia.

En esta guía exponemos de ciertas técnicas probadas para evaluar el rendimiento de los intercambiadores de calor, enfriadores y condensadores a partir de datos observados en el equipo. Se trata de procedimientos de cálculo útiles para los ingenieros que deseen verificar el estado de un intercambiador de calor integrado en un proceso existente.

2)     Propósito del ensayo de rendimiento

El propósito del ensayo de rendimiento es determinar el coeficiente de transferencia total para evaluar el rendimiento de un intercambiador de calor. Cualquier desviación del diseño del coeficiente de transferencia de calor indicará la ocurrencia de ensuciamiento.

3)     Términos y definiciones de rendimiento

Coeficiente de transferencia de calor total, U

El rendimiento del intercambiador de calor es normalmente evaluado por el coeficiente de transferencia de calor total U que es definido por la ecuación:

Donde:

·         Q = Calor transferido en kCal/hr

·         A = Transferencia de calor

·         LMTD = Logaritmo de la diferencia de temperatura media en º C

·         U = Coeficiente de transferencia de calor total kCal/hr/m²/ºC

Cuando el chorro caliente y frío y las temperaturas de entrada son constantes, el coeficiente de transferencia de calor puede evaluarse usando la fórmula anterior. Puede observarse que el calor recogido por el fluido frío comienza a reducirse con el tiempo.

Nomenclatura

Un intercambiador de calor lo podemos identificar con la siguiente nomenclatura:

·         Entrada de fluido frío, w, ti

·         Salida de fluido caliente W, T_o

·         Salida de fluido frío, w, t_o

·         Entrada de fluido caliente W, T_i

Carga térmica del intercambiador puede calcularse ya sea por el fluido del lado caliente o por el fluido del lado frío según indicamos a continuación.

Carga térmica para fluidos calientes:

Carga térmica para fluidos fríos:

Si la carga térmica de la operación es menor que la carga térmica de diseño, puede ser debido a pérdidas de calor, ensuciamiento de tubos, caudales reducidos (caliente o frío), etc. De aquí, para una supervisión del rendimiento simple del intercambiador, la eficiencia puede considerarse como factor de rendimiento con independencia de otros parámetros. Sin embargo, en la práctica industrial, el método del factor de fouling es el más predominantemente usado. Los registros técnicos deben mantenerse para todos los intercambiadores, de esta forma los problemas asociados con la eficiencia y la transferencia de calor pueden identificarse fácilmente. El registro básicamente contiene coeficientes de transferencia de calor históricos respecto al tiempo/fecha de observación. Elaborar unas gráficas del coeficiente de transferencia de calor nos permitirá planificar un programa de limpieza de intercambiadores.

El coeficiente de transferencia de calor se calcula por la ecuación:

4)     Metodología de evaluación del rendimiento de intercambiadores de calor

Procedimiento para determinar en el campo el Coeficiente de Transferencia de Calor Total

Se trata de un método bastante riguroso para supervisar el rendimiento del intercambiador de calor mediante el cálculo periódico del coeficiente de transferencia de calor total. Deben mantenerse registros técnicos para todos los intercambiadores, así que los problemas asociados con la eficiencia reducida y la transferencia de calor pueden identificarse fácilmente.

El coeficiente de transferencia de calor se calcula por la ecuación:

Donde Q es la carga térmica, A es el área de transferencia de calor del intercambiador y LMTD es la fuerza de conducción de la temperatura.

El procedimiento paso a paso para determinar el coeficiente de transferencia de calor total viene descrito a continuación:

Paso A

La supervisión y lectura de los parámetros de estado estacionario del intercambiador de calor bajo evaluación se tabulan a continuación:

Parámetros	Unidades	Entrada	Salida
Caudal del fluido caliente, W	Kg/h
Caudal de fluido frío, w	Kg/h
Temperatura del fluido caliente, T	ºC
Temperatura del fluido frío, t	ºC
Presión del fluido caliente, P	bar g
Presión del fluido frío, p	bar g

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