intercambiadores de calor el radiador
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA
FACULTAD DE INGENIERA AMBIENTAL
Intercambiadores de calor. El radiador.
Realizado por
Ricardo Javier Delfin Vargas
Lima, 2015
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NDICE
1 DEFINICIN .............................................................................................................. 1
2 CLASIFICACIN ....................................................................................................... 1
2.1 SEGN EL PROCESO DE TRANSFERENCIA................................................ 1
2.1.1 De contacto directo ..................................................................................... 1
2.1.2 De contacto indirecto .................................................................................. 1
2.2 SEGN SU CONSTRUCCIN ......................................................................... 1
2.2.1 Coraza y tubos............................................................................................ 1
2.2.2 Compactos o de placas .............................................................................. 2
2.3 SEGN LA DIRECCIN DEL FLUJO ............................................................... 3
2.3.1 Flujo paralelo .............................................................................................. 3
2.3.2 Contraflujo .................................................................................................. 3
2.3.3 Flujo cruzado .............................................................................................. 3
2.4 SEGN EL NMERO DE INTERCAMBIOS REALIZADOS ............................ 4
2.5 SEGN SU REGENERACIN .......................................................................... 5
3 APLICACIONES ........................................................................................................ 6
3.1 EL RADIADOR ................................................................................................... 6
3.2 CALDERAS ........................................................................................................ 6
3.3 CONDENSADORES .......................................................................................... 7
4 SELECCIN .............................................................................................................. 8
5 PROCEDIMIENTO BSICO DE DISEO DE UN RADIADOR ............................... 9
6 REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS ....................................................................... 11
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Lista de tablas
Tabla Pgina
Tabla 1. Caractersticas de operacin de los intercambiadores ms comunes 9
Tabla 2. Comparacin entre los intercambiadores de calor ms comunes 10
Lista de figuras
Figura Pgina
Figura 1. Esquema de un intercambiador de calor de coraza y tubos 2
Figura 2. Partes de un intercambiador de calor compacto 2
Figura 3. Intercambiadores de doble tubo con flujo paralelo y contraflujo 3
Figura 4. Esquema de un intercambiador de calor con flujo cruzado 4
Figura 5. Esquema de un intercambiador de calor de mltiples pasos 5
Figura 6. Intercambiador de calor regenerativo 6
Figura 7. Sistema de refrigeracin de un motor de combustin interna 8
Figura 8. Esquema de un radiador de automvil para refrigeracin del motor 11
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1 DEFINICIN
Son los dispositivos que se utilizan para transferir energa de un medio a otro, en la
ingeniera, frecuentemente facilitan la transferencia calor de un fluido a otro.
2 CLASIFICACIN
Los equipos de intercambio calorfico se clasifican de acuerdo a diferentes criterios.
2.1 SEGN EL PROCESO DE TRANSFERENCIA
2.1.1 De contacto directo
En este tipo de intercambiadores, la transferencia de calor se realiza en ausencia
de una pared de separacin, es decir, los fluidos se mezclan. Por lo general,
ambos fluidos deben poderse separar con facilidad luego de la transferencia de
energa.
2.1.2 De contacto indirecto
En estos dispositivos el intercambio de calor ocurre a travs de una barrera que
evita que los fluidos se mezclen entre s. En este tipo de intercambiador el calor
se transfiere por conduccin mediante la pared de separacin y por conveccin
en los fluidos respectivos.
Si el flujo de calor inicialmente es almacenado en la superficie del dispositivo
para despus ser transmitido al fluido fro (flujo de calor intermitente), se dice
que el intercambiador de calor es un almacenador o regenerador. No obstante,
los intercambiadores de calor ms usados a nivel industrial son los
recuperadores, es decir aquellos donde existe un flujo de calor contnuo desde
el fluido caliente hasta el fluido fro, a travs de una delgana pared de separacin
(Gonzles, 2002).
2.2 SEGN SU CONSTRUCCIN
2.2.1 Coraza y tubos
Son los intercambiadores de calor ms bsicos y comunes. Como se muestra
en la figura 1. Este dispositivo consiste en un conjunto de tubos dentro de un
contenedor conocido como coraza o carcasa. Este dispositivo se caracteriza por
permitir una amplia diferencia entre las presiones de los fluidos, siendo el fluido
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de mayor presin aquel que va dentro de los tubos, ya que estos tubos se pueden
fabricar con materiales que soporten altas presiones.
2.2.2 Compactos o de placas
Los intercambiadores de calor compactos estn compuestos de placas en lugar
de tubos, con el fin de separar a los dos fluidos. Es bastante adecuado para
gases a baja presin
Figura 1. Esquema de un intercambiador de calor de coraza y tubos. [1]
Figura 2. Partes de un intercambiador de calor compacto. [2]
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2.3 SEGN LA DIRECCIN DEL FLUJO
2.3.1 Flujo paralelo
Ocurre cuando el flujo de los tubos (interno) y el flujo de la coraza (externo) fluyen
en igual direccin. Ambos entran al dispositivo por el mismo extremo y se
transfiere el calor del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor
temperatura, saliendo ambos con temperaturas aproximadas.
2.3.2 Contraflujo
En este caso ambos fluidos fluyen en la misma direccin, pero en sentidos
opuestos; y ambos fluidos entran al intercambiador por diferentes extremos. Este
intercambiador es ms eficiente que el anterior.
2.3.3 Flujo cruzado
Para este intercambiador, los fluidos se mueven perpendiculares entre s, este
es el tipo de flujo que se utiliza en los intercambiadores de placas. Si las aletas
de placa determinan el movimiento del fluido en una sola direccin, impidiendo
que fluya transversalmente se denominar flujo cruzado no mezclado; pero si el
fluido puede moverse transversalmente, se dice que el intercambiador presenta
flujo cruzado mezclado. Un ejemplo de intercambiador de calor con flujo cruzado
no mezclado es un radiador de automovil.
Figura 3. Esquema de intercambiadores de doble tubo con flujo paralelo y
contraflujo. [3]
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Actualmente, la gran mayora de dispositivos de intercambio calorfico no son netamente
de flujo paralelo, contraflujo o flujo cruzado; sino que buscando maximizar la eficiencia
del intercambio de calor, realizan combinaciones de los dos o tres tipos de flujo,
obviamente siempre considerando las restricciones propias del diseo: tamao, costo,
peso, temperaturas y presiones de operacin. (Jaramillo, 2007).
2.4 SEGN EL NMERO DE INTERCAMBIOS REALIZADOS
Si los fluidos de un intercambiador transfieren calor entre s ms de una vez, se conocen
como intercambiador de mltiples pasos, mientras que si solo intercambia calor una
vez, se denomina intercambiador de un solo paso o de paso simple. Es comn
encontrar intercambiadores de tubos con dobleces en forma de U en los extremos,
permitiendo que el fluido regrese y se incremente el rea de transferencia de
intercambiador y con ello tambin se incremente el desempeo del dispositivo.
Figura 4. Esquema de un intercambiador de calor con flujo cruzado. [4]
Figura 5. Esquema de un
intercambiador de calor de
mltiples pasos. [5]
Se aprecian 2 pasos por la
coraza y 4 pasos por los
tubos.
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2.5 SEGN SU REGENERACIN
Se dice que un intercambiador de calor ser regenerativo si es que usa el mismo fluido
para calentar y para enfriar, mientras que un intercambiador no-regenerativo usa
fluidos separados para enfriar y calentar.
BIBLIOGRAFA
[1] engel, Y. & Ghajar, M. (2011). Transferencia de Calor y masa. Fundamentos y
aplicaciones. Mxico: Mc Graw Hill. p.631
[2] Moncada, L. Diseo de plantas de procesos qumicos. Intercambiadores de calor.
Universidad Nacional de Trujillo, Per. p.17
[3] engel, Y. & Ghajar, M. (2011). Transferencia de Calor y masa. Fundamentos y
aplicaciones. Mxico: Mc Graw Hill. p.630
[4] Jaramillo, O. (2007). Intercambiadores de calor. Centro de Investigacin en Energa.
Universidad Nacional Autnoma de Mxico. p. 6
[5] engel, Y. & Ghajar, M. (2011). Transferencia de Calor y masa. Fundamentos y
aplicaciones. Mxico: Mc Graw Hill. p.632
[6] Jaramillo, O. (2007). Intercambiadores de calor. Centro de Investigacin en Energa.
Universidad Nacional Autnoma de Mxico. p. 8
Figura 6. Intercambiador de calor regenerativo. [6] En el intercambiador no-
regenerativo el fluido para enfriar proviene de un sistema de refrigeracin externo.
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3 APLICACIONES
Podemos encontrar intercambiadores de calor en muchos sistemas mecnicos y/o
qumicos. A menudo estos dispositivos reciben nombres especficos de acuerdo a la
aplicacin que poseen. Es as, que como intercambiadores de calor tenemos a las,
calderas, radiadores, condensadores, etc.
3.1 EL RADIADOR
En los motores de combustin interna modernos, entre el 20% y 40% del calor liberado
por el combustible es disipado a travs del sistema de enfriamiento. (Romero &
Carranza, 2007). Este proceso de disipacin de calor es realizado por el radiador, el
cul no es ms que un intercambiador de calor de flujo cruzado no mezclado que utiliza
como fluidos al aire y a un lquido conocido como lquido refrigerante. La aplicacin ms
directa del radiador se encuentra en los automviles y sistemas de aire acondicionado.
En los carros, el lquido de refrigeracin fluye a travs del motor y recibe el calor
despedido por este y lo lleva hacia el radiador. Una vez en el radiador el lquido
refrigerante calentado fluye a travs de tubos que lo enfran con aire del exterior. Para
que esto ocurra eficientemente, se tiene que maximizar el rea de contacto entre el
metal del radiador y el aire del ambiente, ya que el aire es un mal conductor del calor.
Tambin se puede utilizar agua en vez de aire, ya que el agua (a 35C) presenta un
conductividad trmica 23 veces mayor que el aire (Gonzales-Mendizabal, 2002), pero
para un automvil sera mucho ms costoso y poco prctico.
3.2 CALDERAS
Los generadores de vapor o calderas son intercambiadores donde uno de los fluidos
absorbe calor y se vaporiza. Estos dispositivos operan durante largos periodos de
tiempo conservando las mismas condiciones que se consideran con dispositivos de flujo
estacionario. Son de los intercambiadores ms comunes en la industria, el vapor de
agua a altas presiones o agua muy caliente que generan, sirve para accionar turbinas o
calentar otros fluidos.
En las calderas ocurre el calentamiento, evaporacin y de ser posible, un
recalentamiendo y sobrecalentamiento del vapor. Para que estos procesos ocurran se
requiere de energa en forma de calor, energa que es aportada por la combustin del
combustible utilizado para hacer funcionar la caldera.
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3.3 CONDENSADORES
Un condensador es un intercambiador de calor en el cual uno de los fluidos se enfra y
se condensa conforme fluye a travs del dispositivo. (engel, 2011). La condensacin
ocurre utilizando aire, mediante un ventilador, o utilizando agua, a travs de una torre
de refrigeracin cercana a un ro o al mar. El propsito de este dispositivo es condensar
un vapor despus de haber realizado trabajo termodinmico. Por ejemplo: el vapor de
escape de una turbina.
Los condensadores tambin forman parte de los sistemas de aire acondicionado, en el
cul enfrian un fluido hasta el punto de volverlo un lquido subenfriado. Por ejemplo, el
sistema de refrigeracin de los automviles est compuesto por el radiador del motor,
un condensador, un evaporador y un compresor.
BIBLIOGRAFA
[1] Motores de combustin interna I. Gua 7 (s.f.). Manual de laboratorios. Universidad
Don Bosco, San Salvador. p.1
Figura 7. Sistema de refrigeracin de un motor de combustin interna. [1]
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4 SELECCIN
A la hora de seleccionar un intercambiador de calor se deben de tomar en cuenta
distintos factores como la presin de operacin, la temperatura de operacin, el tamao
del intercambiador, la superficie de intercambio calorfico, as como la capacidad de
mantenimiento del dispositivo.
A continuacin se presentan dos tablas que serviran de apoyo a la hora de decidir entre
un intercambiador de tubos y carcaza o uno de placas compactadas.
Tipo de
intercambiador
Temperatura
de
operacin
(C)
Presin
mxima
de
operacin
(kPa)
Superficie
de
intercambio
de calor
(m2)
Observaciones
Tubo y carcaza -200 a 700 3500 5 a 1000
Verstil.
Independiente del
proceso, temperatura
y presin. Limitacin
del tipo metalrgico
Placas -40 a 250 3000 1 a 1200
Alta eficiencia trmica.
Fcil accesibilidad
(limpieza y
mantenimiento). Bajo
costo a condiciones no
especficas.
Tabla 1. Caractersticas de operacin de los intercambiadores ms comunes. [1]
Modificado.
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Caracterstica Tubo y Carcaza Placas
Resistencia Alta Baja
rea de transferencia de
calor Grande Muy grande
Costos bsicos Altos Bajos
Mantenimiento
Difcil de inspeccionar.
Limpieza mecnica
practicamente imposible.
Reparaciones aceptables.
Completamente accesible
para inspeccin. Limpieza
mecnica factible. Fcil
reemplazo de todas su
partes.
Limitaciones de espacio y
peso
Requiere de un espacio
considerable y adems de
un espacio amplio de
mantenimiento
Son ms ligeras y ocupan
poco espacio. No
requieren de espacio
adicional para
mantenimiento.
Tabla 2. Comparacin entre los intercambiadores de calor ms comunes. [1]
Modificado.
BIBLIOGRAFA
[1] Gonzlez-Mendizabal, D. (2000). Gua de Intercambiadores de Calor: Tipos
Generales y Aplicaciones. Universidad Simn Bolvar, Caracas. p.18-19
5 PROCEDIMIENTO BSICO DE DISEO DE UN RADIADOR
Para disear un radiador y cualquier intercambiador de calor en s, el proyecto de diseo
debe estar sujeto a ciertas restricciones.
1. Bajo costo de capital
2. Bajo costo de operacin
3. Tamao, forma y peso lmites.
4. Facilidad de mantenimiento.
Luego de tener en cuenta estas condiciones, si se desea disear un radiador (de
automvil), osea un intercambiador de calor agua/aire que disipe el calor recibido por el
agua de refrigeracin que circula dentro del motor, se debe conocer su disposicin.
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Los parmetros a considerar a la hora de disear un radiador son los siguientes:
a. El calor a evacuar, que deber ser del mismo orden que la potencia mecnica
que proporciona el motor.
b. La temperatura de entrada del agua, usualmente es cercana a 100 C
c. La temperatura de entrada del aire, que por lo general es la temperatura del
ambiente 25 C
d. El tamao del radiador (figura 11.b), es decir la profundidad Lx, altura Lz y la
anchura Ly; sin embargo, se debe mencionar que estas cantidades son fijadas
por el diseador del automvil y no por el diseador del radiador.
e. El nmero de aletas o chapas a utilizar
f. El dimetro hidrulico equivalente de los tubos de agua, as como la cantidad de
estos tubos.
g. La velocidad del aire, que se calcula con ayuda de elementos matemticas de la
mecnica de los fluidos, una vez obtenido el valor de la velocidad, se puede
elegir el ventilador a utilizar.
Los valores cuantitativos de estos parmetros omitieron, y solo se les hizo mencin
cualitativamente dado que el clculo matemtico para obtener estos valores es
considerablemente engorroso y requiere de un conocimiento terico previo de
conceptos y ecuaciones de la dinmica de los fluidos, tales como el nmero de Nusselt,
tipos de flujo: laminar y turbulento, nmero de Reynolds, etc.
BIBLIOGRAFA
[1] Martinez, I. (1992). Termodinmica bsica y aplicada. Universidad Politcnica de
Madrid.
Figura 11. Esquema de un radiador de automvil para refrigeracin del motor. [1]
a) conexiones externas, b) detalle de su geometra
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6 REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
1. Jaramillo, O. (2007). Intercambiadores de calor. 20/06/2015, de Centro de
Investigacin en Energa. Universidad Nacional Autnoma de Mxico. Direccin
web: www.cie.unam.mx/~ojs/pub/HeatExchanger/Intercambiadores.pdf
2. engel, Y. & Boles, M. (2012). Termodinmica. Mxico: Mc Graw Hill.
3. engel, Y. & Ghajar, M. (2011). Transferencai de Calor y masa. Fundamentos y
aplicaciones. Mxico: Mc Graw Hill
4. Gonzlez-Mendizabal, D. (2000). Gua de Intercambiadores de Calor: Tipos
Generales y Aplicaciones. Universidad Simn Bolvar, Caracas.
5. Moncada, L. Diseo de plantas de procesos qumicos. Intercambiadores de calor.
Universidad Nacional de Trujillo, Per.
6. Romero Piedrahita, C. A., Snchez, C., & Alberto, Y. (2007). Evaluacin de la
capacidad trmica de un radiador de calor. Scientia et Technica Ao XIII No. 35.
7. Gmez, C. (2011). Apuntes de introduccin a los procesos qumicos. Universidad de
los Andes, Venezuela.
8. Motores de combustin interna I. Gua 7 (s.f.). Manual de laboratorios. 21/06/2015
de Universidad Don Bosco, San Salvador. Direccin web:
www.udb.edu.sv/udb/archivo/guia/mecanica-ingenieria/motores-de-combustion-
interna/2012/i/guia-7.pdf
9. Martinez, I. (1992). Termodinmica bsica y aplicada. Universidad Politcnica de
Madrid.