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Requerimientos de área del intercambiador
de calor
La
temperatura del calor residual influye en la tasa de la transferencia de calor
entre la fuente de calor y disipador de calor, lo cual significativamente
influye en la factibilidad de la recuperación. La expresión para transferencia
de calor puede ser generalizado por la siguiente ecuación:
Donde Q es la tasa de transferencia de calor;
U es el coeficiente de transferencia de calor; A es el área de superficie para
intercambio térmico; y ∆T es la diferencia de temperatura entre los dos chorros
de fluido.
Ya que la
transferencia de calor es una función de U, área y ∆T, una pequeña ∆T requerirá
una mayor transferencia de calor. Ver la siguiente figura:
Como puede
verse en la gráfica anterior cuando la diferencia de temperaturas es baja el
área de intercambio se incrementa dramáticamente. La forma de la curva y área
requerida variará dependiendo de los fluidos de transferencia de calor,
coeficientes de transferencia de calor, y tasa de transferencia de calor
requerida.
Máxima eficiencia para la generación de
energía eléctrica
Las fuentes
de calor a diferentes de temperatura tendrán límites de eficiencia teórica variables
para generación de energía eléctrica. La máxima eficiencia a una temperatura
dada se basa en la eficiencia de Carnot, que se define como:
Donde TH
es la temperatura del calor residual; y TL es la temperatura del
disipador térmico.
La
eficiencia de Carnot representa la máxima eficiencia posible de un motor a una
temperatura dada. La eficiencia de Carnot se incrementa en altas temperaturas y
cae dramáticamente para las temperaturas más bajas.
Ya que la
temperatura en el calor residual tiene un impacto dramático en la factibilidad
de la recuperación de calor, es importante realizar una evaluación previa de la
calidad y cantidad del calor residual. A continuación analizaremos la cantidad
de pérdida de calor residual de diferentes procesos, pero también analizaremos
el potencial de trabajo en orden de considerar las variaciones en las
temperaturas de calor residual. El potencial de trabajo representa el máximo
trabajo posible que puede ser extraído de un motor térmico operando entre la
temperatura del calor de los residuos y la temperatura ambiente. Esto se
calcula multiplicando el calor residual por la eficiencia de Carnot donde WP es
el potencial de trabajo de la fuente de calor.
E es la
pérdida de calor residual al medio ambiente; η
es la eficiencia de Carnot; TH es la temperatura de la fuente de
calor residual; y To es la temperatura ambiente (25 ºC).
Selección de temperaturas y materiales
La
temperatura de la fuente de calor de los residuos tiene importantes
ramificaciones para selección de materiales en intercambiadores de calor y
sistemas de recuperación. Las reacciones de corrosión y oxidación, como todas
las reacciones químicas, se aceleran dramáticamente por el incremento de la
temperatura. Si la fuente de calor residual contiene sustancias corrosivas, las
superficies de recuperación de calor pueden dañarse. Asimismo, el acero al
carbono a altas temperaturas (> 425 ºC) y el acero inoxidable por encima de
650 ºC comienza a oxidarse. Por lo tanto, aleaciones avanzadas o materiales
compuestos deben ser usados a altas temperaturas. Los materiales mecánicos no
se usan por encima de 871 ºC. Las alternativas incluyen sangrado de aire air en
los gases de escape a menor temperatura, o usando materiales cerámicos que
pueden resistir mejor la temperatura alta. En el caso de sangrado de aire, la
cantidad de calor contenida en los chorros de escape quedan constantes, pero la
calidad se reduce debido a la caída de temperatura.
Composición del flujo de residuos
Aunque las
composiciones químicas no influyen directamente en la cantidad y calidad del
calor disponible (a menos que tenga valor como combustible), la composición del
flujo afecta al proceso de recuperación y selección de materiales. La
composición y fase del flujo de calor residual determinará factores tales como
la conductividad térmica y la capacidad de calor, que impactarán en la
efectividad del intercambiador de calor.
Las tasas de
transferencia en los intercambiadores de calor son dependientes de la
composición y fase de los flujos de calor residual, lo cual impactará en la
efectividad del intercambiador de calor. Sin embargo, la composición química
específica del proceso de gases residuales tendrá un impacto importante en los
diseños del intercambiador de calor, restricciones de materiales y costes.
Las tasas de
transferencia de calor en el intercambiador de calor son dependientes de la
composición y fase de los flujos de calor residual, estando además influidos
por la deposición de cualquier sustancia sucia en el intercambiador de calor.
Tabla 1. Rango General de
Coeficientes de Transferencia de Calor para Transferencia de Calor Sensible en
Intercambiadores de Calor
Condiciones del fluido
|
Coeficiente de transferencia de calor
|
Agua, líquido
|
5 x 103 a 1 x 104
|
Líquido, líquido
|
1,5 x 103 a 2 x 103
|
Gas (P = 1000 kPa)
|
2,5 x 102 a 4 x 102
|
Gas (P = 100.200 kPa)
|
8 x 10 a 1,2 x 102
|
Otra
consideración clave es la interacción entre químicos en el flujo de escape y
los materiales del intercambiador de calor. El ensuciamiento o fouling es un
problema común en el intercambio de calor, y puede sustancialmente reducir la
efectividad del intercambio o causar un fallo del sistema.
Los métodos
para tratar el fouling son numerosos e incluyen la filtración del fluido
contaminado, construcción de intercambiador con materiales avanzados,
incrementar el área de la superficie del intercambiador de calor, y diseñar el
intercambiador de calor para fácil acceso y limpieza. Sin embargo, el problema
del fouling queda aún como desafío significativo en la ciencia térmica.
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