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5.- Intercambiadores de calor. Balances energéticos. Eficacia y rendimiento.

Caso práctico

Imagen de Marisol, chica joven, rubia, sujetando un portátil cerrado, viste chaqueta gris oscuro, pantalón gris oscuro y jersey negro.Marisol se ha acercado a ayudar a Estrella en su trabajo de hoy. Observa un radiador de calefacción por el que circula el agua caliente procedente de la caldera y le comenta a Estrella. –A fin de cuentas no deja de ser un intercambiador de calor que transmite calor desde el agua que circula por su interior hacia el aire del ambiente de la sala.

 

Imagen con intercambiadores de flujo cruzado, paralelo y contraflujo.

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que pueden estar separados por una barrera o también pueden encontrarse en contacto mutuo.

Pueden clasificarse como:

  • Intercambiadores de contacto directo: en los que ambos fluidos se mezclan como ocurre en las torres de refrigeración por ejemplo.
  • Intercambiadores de contacto indirecto: en los que los fluidos circulan por circuitos distintos.
    • Alternativos: en los que ambos fluidos comparten un espacio común de forma alternada.
    • De superficie: el contacto se produce a través de una superficie que separa ambos circuitos.
      • Flujos cruzados: Ambos fluidos se cruzan en el intercambiador.
      • Flujos paralelos: Ambos fluidos circulan paralelamente.
      • Contraflujo: Ambos fluidos circulan en sentidos opuestos.

El intercambiador de contraflujo es el más eficiente.

En todo intercambiador se puede plantear el balance energético siguiente:

El calor cedido por el fluido caliente es igual al calor absorbido por el fluido frío más las pérdidas de calor del intercambiador.

El producto de la masa de fluido caliente por su calor específico y la diferencia de temperaturas entre la entrada y la salida es igual al producto de la masa de fluido frío por su calor específico y la diferencia de temperaturas entre la entrada y la salida más las pérdidas de calor del intercambiador.

La eficacia de un intercambiador viene dada por la expresión:

La eficacia del intercambiador será igual al cociente entre el calor transferido de un fluido al otro y el calor máximo transferible entre ellos. Para el caso de intercambiadores de flujos paralelos será igual a la diferencia de entalpías del fluido frío entre la salida y la entrada partido por la diferencia de entalpías del fluido caliente entre la salida y la entrada. Para el caso de intercambiadores de contraflujo será igual a la diferencia de entalpías del fluido frío entre la salida y la entrada partido por la diferencia de entalpías del fluido caliente entre la entrada y la salida.

Teniendo en cuenta que el rendimiento es igual a lo que obtenemos partido por lo que gastamos tenemos que:

El rendimiento es igual al cociente entre el calor absorvido por el fluido frío dividido por el calor cedido por el fluido caliente, o lo que es lo mismo, el producto de la masa de fluido frío por su calor específico y la diferencia de temperaturas entre la entrada y la salida dividido por el producto de la masa de fluido caliente por su calor específico y la diferencia de temperaturas entre la entrada y la salida.

Cuando ambos fluidos son iguales

Si se trata del mismo fluido en ambos circuitos el rendimiento se simplifica al producto de la masa de fluido frío por la diferencia de sus temperaturas a la entrada y la salida dividido por el producto de la masa de fluido caliente por la diferencia de sus temperaturas a la entrada y la salida