Intercambio de Calor

1. República Bolivariana Venezuela
Ministerio del Poder Popular la Educación Universitaria
Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño
Carrera: Ingeniería Electrónica
Cátedra: Control de Procesos
Realizado por:
Lenin Pirela
C.I: V-18.517.942
Maracaibo, enero de 2016

2. INTRODUCCIÓN
Un gran número de instalaciones de producción en muchas industrias
utilizan procesos en los que se transfiere calor entre fluidos diferentes. El
principio básico de transferencia de calor es extremadamente simple, dos
fluidos a diferentes temperaturas se ponen en contacto con una barrera
conductora (la pared del tubo) y el calor se transfiere desde el fluido caliente al
fluido más frío hasta que alcanzan el mismo nivel de temperatura. En los
procesos industriales esta se lleva a cabo en intercambiadores de calor de
varios tipos y estilos de propósito general construidas para el proceso y las
condiciones del lugar de la aplicación.

3. Transferencia de Calor
La transferencia de calor se produce normalmente desde un objeto con alta
temperatura, a otro objeto con temperatura más baja. La transferencia de calor
cambia la energía interna de ambos sistemas implicados, de acuerdo con la
primera ley de la Termodinámica.
Transferencia de Calor desde una Región Fría a otra más Caliente
Conducción del Calor
La conducción es la transferencia de calor, por medio de la excitación
molecular en el interior del material, sin ningún tipo de movimiento entre los
objetos. Si un extremo de una barra de metal está a una temperatura más alta,
entonces se transferirá energía hacia el extremo más frío, debido a las
colisiones de partículas de alta velocidad con las más lentas, produciéndose
una transferencia neta de energía hacia estas últimas. En una transferencia
entre dos superficies planas, como la pérdida de calor a través de las paredes
de una casa, la tasa de transferencia de calor por conducción es:
Tabla de Conductividad Térmica

4. Convección del Calor
La convección es la transferencia de calor por medio del movimiento de
una masa fluida, tal como el aire o el agua. Cuando estos se calientan se
mueven hacia fuera de la fuente de calor, transportando consigo la energía. La
convección por encima de una superficie caliente ocurre porque, cuando se
calienta el aire en contacto con la superficie, se expande, se hace
menos denso, y se eleva (ver la ley de gas ideal). De igual manera, el agua
caliente es menos densa que la fría y por tanto se eleva, originando corrientes
de convección que transportan energía.
La convección también puede originar la circulación de un líquido, como
en el calentamiento de una olla de agua sobre una llama. El agua caliente se
expande y se hace más ligera. El agua más fría, cerca de la superficie es más
densa y desciende. Con ambos movimientos se forma un patrón de circulación,
aunque no tan regular como sugiere la ilustración adjunta.

5. En el aceite que se calienta en la olla de la izquierda, se ven las células
de convección. El calentamiento del aceite, produce cambios en el índice de
refracción del mismo, haciendo visible los contornos de las células. Se forman
patrones de circulación, y posiblemente las estructuras con forma de pared
observadas, son los límites entre los patrones de circulación.
Se cree que la convección juega un papel principal en el transporte de la
energía desde el centro del Sol a la superficie, y en el movimiento del magma
caliente por debajo de la superficie terrestre. La superficie visible del Sol (la
fotosfera) tiene un aspecto granular, con una dimensión típica de un gránulo de
1000 kilómetros. La imagen de la derecha es de la página web de Física Solar
de la NASA, y se le atribuye a G. Scharmer y al Telescopio Solar Sueco de
vacío. Los gránulos son descritos como células de convección que transportan
el calor desde el interior del Sol a la superficie.

6. En la transferencia de calor normal en la Tierra, es difícil cuantificar los
efectos de la convección, ya que depende inherentemente de pequeñas faltas
de uniformidad, en un medio que por otra parte, se muestra bastante
homogéneo. En los modelos como el enfriamiento del cuerpo humano, la
conducción juega un papel fundamental.
Proceso A Ser Emulado
Intercambiador de calor. Proceso de primer orden, de tipo cero.
Observemos la estructura del intercambiador de calor que va ha ser
emulado de manera circuital con el G26 en la figura.
Intercambiador de calor para emulación
Dicha figura representa un intercambiador de calor entre: Un “Resistor
Calefactor”, que es el elemento final de control y a la cual se le aplica una
tensión de alimentación “Vu” que es la acción de control y por tanto produce en
el fluido en depósito una temperatura de control “Tu”, y agua fría que entra al
tanque (Sistema) con un flujo “Ff” a una temperatura “Tf” que la
instrumentación de campo traduce a una señal de voltaje “Vf”.
Se espera, que del sistema salga agua caliente con un flujo Fc y a una
temperatura “Tc” que la instrumentación de campo traduce a una señal de
voltaje “Vc”. De manera tal que en estado estacionario Tc = Tu, y cuando por la
resistencia no pasa corriente, el agua se pone a la temperatura ambiente o “Tf”.

7. Debe tenerse presente que del depósito se puede sacar líquido a
temperatura Tc metiendo la misma cantidad de fluido a temperatura Tf para
mantener un nivel constante. De aquí se deduce que los modos operativos del
intercambiador de calor pueden ser de dos tipos:
a) No se extrae líquido y, por lo tanto, la función del equipo es la de
mantener constante la temperatura Tc ya que el nivel del tanque no debe
variar, de manera tal que esta última depende sólo del valor de Vu para
compensar las pérdidas térmicas.
b) Se extrae líquido a temperatura Tc y consecuentemente se agrega la
misma cantidad a temperatura Tf. Se obtiene así una variación de carga de la
magnitud controlada Tc. La función del intercambiador es siempre la de
mantener constante la temperatura Tc. En este caso Tc depende de Vu y de Tf,
ignorándose el efecto de las pérdidas térmicas.
Bajo estas consideraciones, puede entonces efectuarse las siguientes
hipótesis:
a) Que la temperatura Tu alrededor de la resistor calefactor directamente
proporcional a la tensión Vu, es decir, sin retardos de propagación.
Tu = K ⋅Vu
b) Que el intercambio de calor (variación de la temperatura) entre el
resistor calefactor y líquido es de tipo retardado, es decir, Tc solo toma el valor
de Tu después de un tiempo de estabilización, es decir, retardo de primer
orden donde es la ganancia estática de la función de transferencia.

8. c) Que la variación de la temperatura Tc, producida por el líquido
introducido a la temperatura Tf, es de tipo retardado, es decir, Tc ve modificado
su valor después de un tiempo de producida la perturbación, es decir, retardo
de primer orden.
d) Que la velocidad del flujo o caudal del líquido no influye sobre el
intercambio de calor.
e) Que la temperatura ambiente corresponde a 0/C.
f) Que la tensión Vc, generada por la instrumentación del proceso, es
directamente proporcional a la temperatura Tc, es decir, sin retardos de
propagación.
g) Que la relación que vincula la temperatura a la tensión en la
instrumentación de campo es de tipo proporcional y lineal, que a efectos de los
ejercicios de emulación ha sido simplificada en K = 10 /C / V.
Para lazo abierto, el sistema se representa como se indica en la figura
donde la elección de la velocidad operativa "FAST" ó "SLOW" se realiza en
función del tipo de visualización (osciloscopio o registrador XY).
Tomado en cuenta que se dispone del software de visualización gráfica
por computador MPT, se debería utilizar la velocidad operativa "SLOW". En

9. cualquier caso, debe revisarse la tabla 1 para determinar los valores de los
parámetros de las funciones de transferencia según la velocidad seleccionada.
Para efectos de simulación se establece que la temperatura del agua
que ingresa al sistema, Tf, es la temperatura ambiente, de manera tal que
cualquier incremento de hasta 20 /C en el valor de Tf corresponderá a las
perturbaciones del sistema.
La fuerza impulsora para la transferencia de calor es la diferencia en los
niveles de temperatura entre los fluidos caliente y frío, mayor es la diferencia
mayor es la tasa a la que el calor fluirá entre ellos. Con secuencias de
procesamiento complejas el diseñador debe optimizar los niveles de
temperatura en cada etapa para maximizar la tasa total de flujo de calor.
Un segundo factor que controla la transferencia de calor es el área de
la barrera conductora proporcionado para el flujo de calor. Cuanto mayor sea el
área más grande es la cantidad de calor que fluirá en un tiempo dado con una
diferencia de temperatura dada. El diseñador tiene que minimizar esta área
para proporcionar soluciones rentables para su cliente y con habilidad la
cantidad de área se pueden minimizar y configurados para reducir el volumen
de contención y el costo total.

10. l tercero y quizás el factor más importante que controla la
transferencia de calor es la velocidad a la que fluye el calor dentro o fuera de
cada uno de los fluidos. Una alta resistencia al flujo de calor en cualquiera de
fluido producirá una lenta tasa global de la transferencia. El nivel de resistencia
al calor resultados de flujo de muchos factores diferentes, incluyendo las
características térmicas inherentes de los fluidos, pero puede ser influenciado
por el diseñador en una manera muy positiva por la generación de turbulencia
dentro de los fluidos para evitar la creación de una estática térmicamente
resistente " capa límite "de fluido en contacto con la superficie de transferencia
de calor.
El cuarto factor, también bajo el control del diseñador, es el flujo de
calor a través de la barrera conductora entre los fluidos. El material elegido
debe ser compatible con los fluidos del proceso, no debe corroer o contaminar
un producto alimenticio, debe tener un nivel adecuado de resistencia mecánica
para soportar las temperaturas y presiones de trabajo y debe tener una baja
resistencia al flujo de calor por lo que no se convierte en el factor primordial en
el proceso de transferencia de calor.
Las ecuaciones matemáticas que describen el proceso de
transferencia de calor son bastante simples:
Donde:
 Q es la cantidad de calor transferido, W
 A es el área de transferencia de calor, m²
 Delta T es una diferencia de temperatura eficaz, ° K
 U es el coeficiente global de transferencia de calor, W / m². ° K
El valor de U es ligeramente más complejo para calcular:

11. Donde:
 h 1 y h 2 son los coeficientes de transferencia de calor parciales, W / m².
° K.
 R w es la resistencia térmica de la pared, m². ° K / W.
 R f1 y f2 R son los factores de ensuciamiento, m². ° K / W.
Mientras que los valores de R f se suelen especificar por el cliente,
los valores de h y R w pueden ser influenciadas directamente por el diseñador
por la elección del tamaño del tubo y el grosor y los materiales de construcción.
Los valores de los coeficientes parciales de transferencia de calor h dependen
en gran medida de la naturaleza de los fluidos, sino también,
fundamentalmente, de la geometría de la transferencia de calor superficies que
están en contacto con. Es importante destacar que los valores finales están
muy influenciados por lo que ocurre en el nivel de las capas límite, el líquido
realmente en contacto con la superficie de transferencia de calor.
Procesos de Transferencia de Calor
La mayor parte de la toma de la investigación académica lugar en los procesos
de transferencia de calor se concentra en formas de predecir con exactitud los
valores precisos de la resistencia de la capa límite y sobre las formas de
afectar a los valores sin tener que pagar demasiado alto un penalti en términos
de aumento de las pérdidas de presión.
Muchas técnicas para reducir la resistencia de la capa límite
tubeside han intentado incluyendo varios estilos de tubo "insertos", que toman
la forma de formas complejas de alambre o tiras retorcidas planos sujetos
dentro de los tubos y los diversos estilos de deformación del tubo. La mayoría
tienen la desventaja de aumentar la resistencia al flujo de fluido, la pérdida de

12. presión, a una velocidad que aumenta más rápidamente que la disminución en
la resistencia de la capa límite. Una técnica que no tiene esta desventaja sin
embargo es que de deformar el tubo, ya sea con una hendidura continua en
espiral (corrugado) o una indentación punto intermitente (hoyuelo). Nuestra
propia investigación ha mostrado que por la elección de la profundidad, ángulo
y la anchura de la indentación cuidadosamente, la tasa de disminución de la
resistencia de la capa límite puede ser superior a la tasa de aumento en la
pérdida de presión. Esta es la forma elegida para unidades HRS
Intercambiadores de Calor '.
La perturbación continua de la capa límite del fluido tubeside
aumenta la cantidad de turbulencia dentro del fluido como se describe
matemáticamente por el "número de Nusselt" y, proveer el fluido tubeside tiene
la mayor resistencia al flujo de calor, se incrementará la tasa global en la que el
calor se transfiere.
Factores de ensuciamiento
Estos normalmente son especificados por el cliente sobre la base
de su experiencia en la gestión de su planta o proceso, pero si no se limita a
los niveles adecuados puede negar totalmente los beneficios generados por el
diseño hábil. Representan la resistencia teórica al flujo de calor debido a una
acumulación de una capa de suciedad u otra sustancia de ensuciamiento en
una o ambas de las superficies de los tubos, pero a menudo son exageradas
por el usuario final en un intento de minimizar la frecuencia de limpieza. En
realidad ellos pueden, si mal elegido, conducir a una mayor frecuencia de
limpieza.
Mecanismos de ensuciamiento varían con la aplicación, pero se
pueden clasificar en cuatro tipos comunes y fácilmente identificables.
Tipos de ensuciamiento
 Química ensuciamiento donde los cambios químicos en el fluido causan
una capa de suciedad se deposite. Un ejemplo común de este fenómeno
es la escala en un hervidor de agua o caldera causada por sales de
calcio depositar sobre los elementos de calentamiento como la

13. solubilidad de las sales de reducir al aumentar la temperatura. Esto está
fuera del control del diseñador intercambiador de calor, pero puede ser
minimizado mediante un control cuidadoso de la temperatura de la pared
del tubo en contacto con el fluido.
 Ensuciamiento biológico causado por el crecimiento de organismos en el
fluido que se depositan a cabo sobre la superficie. Esto está fuera del
control del diseñador intercambiador de calor pero puede ser
influenciada por la elección de los materiales como algunos,
especialmente los latones no ferrosos, son venenosos para algunos
organismos.
 Deposición ensuciamiento donde las partículas dentro del fluido se
asientan sobre la superficie cuando la velocidad cae por debajo de un
nivel crítico. Esto es en gran medida bajo el control del diseñador como
la velocidad crítica para cualquier combinación de fluido / partícula
puede ser calculada para permitir un diseño que se elabore con niveles
mínimos de velocidad más alto que el nivel crítico. Montaje del
intercambiador de calor vertical también puede minimizar el efecto que la
gravedad tiende a tirar de las partículas fuera del intercambiador de
calor lejos de la superficie de transferencia de calor.
 Ensuciamiento corrosión donde una capa de productos de corrosión se
acumula en la superficie del tubo que forma una capa adicional de, por
lo general, el material de alta resistencia térmica. Mediante una
cuidadosa elección de los materiales de construcción, los efectos
pueden ser minimizados como una amplia gama de materiales
resistentes a la corrosión a base de acero inoxidable están ahora
disponibles para el fabricante del intercambiador de calor.
Fluidos
Los fluidos para ambos sistemas de productos y servicios con los
que el diseñador intercambiador de calor tiene que trabajar son tan variados
como los procesos que utilizan intercambiadores de calor. Sin embargo,
pueden ser clasificados en dos categorías muy amplias:

14.  Newtoniano - Cuando la propiedad inherente definida como la viscosidad
es independiente de la tasa de cizallamiento dentro del fluido.
 No newtoniano - Cuando la propiedad inherente definida como la
viscosidad es dependiente de la velocidad de cizallamiento dentro del
fluido.
En términos simples, la viscosidad efectiva de un fluido newtoniano
no depende de la velocidad con que fluye a través de una tubería o tubo, pero
para un fluido no newtoniano que lo hace.
Así como la viscosidad del trabajo fluidos otras cuatro propiedades
son de gran importancia cuando se modela el rendimiento de transferencia de
calor.
 Densidad - la masa del fluido por unidad de volumen que afecta
directamente a la velocidad con que los fluidos fluyen a través de un
sistema.
 El calor específico - la cantidad de calor que una masa dada de un fluido
requiere que la temperatura se puede cambiar por 1 °.
 La conductividad térmica - la velocidad a la cual el calor puede fluir a
través de un fluido.
 El calor latente - la cantidad de calor que una masa dada de una
sustancia requiere para cambiar el estado - que es fundir si es un sólido,
congelar si es líquido, se evapore si es un líquido o condensar si es un
gas.
Igualmente importante desde el punto de vista operativo son las
características de corrosión del fluido que influyen en la elección final de los
materiales de construcción que el diseñador debe utilizar.
Es particularmente importante identificar los fluidos que son
conocidos por ser altos en cloruros, ya que pueden conducir a la corrosión bajo
tensión en algunos grados de acero inoxidable pero cualquier acidez o
alcalinidad fluidos de alta se debe comprobar con un experto metalúrgico para

15. confirmar la idoneidad del material. En aplicaciones tales como los gases de
escape de enfriamiento es importante para comprobar si hay condensación en
la pared del tubo y la composición del gas (o combustible) para comprobar si se
forman los ácidos como se enfría el gas. Si la condensación se confirma y el
gas o combustible contiene ningún compuesto de azufre entonces la ayuda de
un experto metalúrgico nuevo debe buscarse asesoramiento sobre los
materiales adecuados.
Carcasa y tubos intercambiadores de calor
Cuando las encuestas de marketing de uso intercambiador de calor
se llevan a cabo por lo general informan que el tipo más común de
intercambiador de calor en uso en la mayoría de las industrias es el tipo de
carcasa y tubos. Otros tipos se utilizan cuando las circunstancias operacionales
o de proceso dictan, por ejemplo aire unidades enfría cuando no hay una
fuente de agua de refrigeración disponible o tipos donde el peso y el espacio
son de las instalaciones de importancia y de servicio adecuada primordiales
están disponibles plato, pero la mayor proporción de unidades siguen siendo
los tipos de carcasa y tubos.
Calor de carcasa y tubo de intercambiadores se pueden clasificar
en dos grandes categorías:
 Unidades de tubos fijos, donde los tubos se fijarán de forma rígida en el
sobre de retención de presión del intercambiador de calor.
 Unidades extraíbles tubo donde el diseño mecánico permite que el haz
de tubos para ser retirados de la envolvente de presión para la revisión y
limpieza de los propósitos.
En términos de costo inicial del tipo tubo fijo del intercambiador de
calor suele ser el menos caro, pero como las superficies de los tubos exteriores
no son de fácil acceso para su limpieza e inspección que sólo debe utilizarse
en circunstancias en que el líquido de envoltura es no ensuciamiento o donde
los depósitos incrustantes puede ser eliminado por métodos químicos.

16. Unidades de tubos extraíbles se hacen en una variedad de estilos
diferentes para adaptarse a la aplicación, pero todos han con empaques o
anillo "O" sellado articulaciones en contacto con los fluidos que tienen que ser
sellada contra las presiones y temperaturas de trabajo y todavía ser compatible
con la aplicación en términos de resistencia química, la aprobación para uso de
la industria de alimentos, etc. El costo por metro cuadrado de superficie de
transferencia de calor para estas unidades es más alto que el diseño del tubo
fijo equivalente, el nivel de coste en función de consideraciones de diseño
mecánico.
Como norma muy general, una cáscara y la unidad de tubo con un
haz de tubos extraíble se incrementará el costo de un intercambiador de calor
diseñado para un rendimiento térmico específico en aproximadamente un 30%.
Un factor importante a considerar es que el diseño y la producción
de calor de carcasa y tubo de intercambiadores se divide en dos fases muy
distintas.
 La primera fase es la realización de los cálculos de dimensionamiento
termales, donde el diseñador hábil puede utilizar las características de
rendimiento mejorado del tubo corrugado en su beneficio en la reducción
de su tamaño, peso, capacidad hasta volúmenes etc.
 La segunda fase es la identificación de las condiciones de diseño
adecuadas, temperatura, presión, etc., y el diseño mecánico de la
unidad en el que el diseñador tiene que seguir un conjunto rígido de
reglas para el sobre de presión del intercambiador de calor. Esto puede
implicar el cumplimiento de uno o más de los códigos internacionales de
recipientes a presión para satisfacer las necesidades del comprador o
con mayor frecuencia los compradores Insurance Company y la
legislación nacional. Igualmente importante es la selección o
confirmación de la tamaños de boquillas, tipos de conexión y fuelles
diseño que son apropiados para la aplicación y correcto para las
condiciones de diseño.

17. El diseñador tiene que trabajar dentro de un entorno que puede
controlar sus acciones y reducir la posibilidad de utilizar las ventajas del
producto al máximo.

18. CONCLUSIÓN
El intercambio calor se trata transferir calor entre dos medios, que estén
separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte
esencial de los dispositivos de calefacción, refrigeración, acondicionamiento de
aire, producción de energía y procesamiento químico.
Un intercambiador típico es el radiador del motor de un automóvil, en el
que el fluido caloportador, calentado por la acción del motor, se enfría por la
corriente de aire que fluye sobre él y, a su vez, reduce la temperatura del motor
volviendo a circular en el interior del mismo.

19. REFERENCIAS
Material suministrado por el docente. A través de la página SAIA PSM.
 Intercambio de Calor
 Columnas de Destilación
 Alzate Ibáñez (2010) modelado y control de una columna de destilación
binaria.
 2008 Dic 10, UNET, 02 33 905L, Modos de Control, Sistema
Intercambiador de Calor