Los siguientes son algunos principios termodinámicos que son útiles para comprender cómo funcionan los intercambiadores de calor:
- Primera ley de la termodinámica:La primera ley se conoce como la Ley de conservación de la energía, que establece que la energía (en forma de calor y trabajo) no puede crearse ni destruirse. Solo se puede transferir a otro sistema o convertir a una forma u otra. En los intercambiadores de calor, esta afirmación se traduce por la ecuación de balance de calor escrita como:
(Entrada de calor) más (Generación de calor)=(Salida de calor) más (Acumulación de calor)
Asumiendo que opera en un flujo de estado estacionario, eso significa que las propiedades térmicas permanecen constantes en todos los puntos a medida que cambia el tiempo, y el sistema es adiabático (perfectamente aislado), la ecuación de balance de calor se simplifica a Calor adentro=Calor afuera . Esta es una de las ecuaciones más básicas que se utiliza en el diseño y operación de intercambiadores de calor.
- Segunda Ley de la Termodinámica:La segunda ley introduce el concepto de entropía, el grado de desorden y aleatoriedad de un sistema. La entropía del universo aumenta constantemente y nunca puede disminuir. Nos dice la dirección del flujo de energía entre dos sistemas que interactúan en los que se genera la mayor entropía. El calor siempre se transfiere de un cuerpo con temperaturas más altas a temperaturas más bajas, que es la tendencia natural de todos los sistemas. En los intercambiadores de calor, el fluido frío gana calor y aumenta su temperatura, y el fluido caliente pierde calor y disminuye su temperatura.
Mecanismo de Transferencia de Calor
El mecanismo involucrado en la transferencia de calor en los intercambiadores de calor es una combinación de conducción y convección. La fuerza impulsora de la transferencia de calor es la diferencia de temperatura entre las temperaturas de entrada y salida menos la temperatura de entrada y salida de la corriente del proceso.
Temperatura de aproximación:La temperatura de aproximación de un intercambiador de calor es la diferencia entre la temperatura de entrada y salida de una corriente de fluido menos la diferencia entre la temperatura de entrada y salida de la corriente de proceso. Con temperaturas de aproximación calientes, la diferencia está entre la temperatura de entrada caliente y la temperatura de salida fría. Con temperaturas de aproximación frías, hay una temperatura de aproximación fría inversa y una temperatura de salida caliente.
Todos los intercambiadores de calor tienen una temperatura de aproximación óptima, que debe tenerse en cuenta al tomar la decisión de comprar un intercambiador de calor, ya que un error de cálculo de la temperatura de aproximación puede llevar a tener el tipo de intercambiador de calor incorrecto para un proceso.
Conducción:Esta es la transferencia de energía térmica por colisiones directas de moléculas adyacentes. Una molécula con mayor energía cinética transferirá energía térmica a una molécula con menor energía cinética. Ocurre más fácilmente en sólidos. En el caso de los intercambiadores de calor, tiene lugar en la pared que separa los dos fluidos. La Ley de conducción de calor de Fourier establece que la tasa de transferencia de calor normal a la sección transversal del material es proporcional al gradiente de temperatura negativo. La constante de proporcionalidad es la conductividad térmica del material.
Q = -k A
Donde Q es la tasa de transferencia de calor, k es la conductividad térmica del material, A es el área normal a la dirección del flujo de calor y dT/dx es el gradiente de temperatura.
Convección:La convección en los intercambiadores de calor ocurre a través del movimiento masivo del fluido contra la superficie de la pared, transfiriendo energía térmica. Este fenómeno está representado por la Ley de enfriamiento de Newton, que establece que la tasa de pérdida de calor de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperatura del cuerpo y su entorno (en este caso, la pared y el fluido).Q = h A ΔT
Donde Q es la tasa de transferencia de calor, A es el área normal a la dirección del flujo de calor y ΔT es la diferencia de temperatura entre la pared y el fluido a granel. El coeficiente de transferencia de calor por convección, indicado por h, se evalúa en función de las dimensiones de la pared, las propiedades físicas del fluido y las características del flujo del fluido.Durante una operación de un intercambiador de calor con una partición conductora, el calor se transfiere del fluido caliente al fluido frío en esta secuencia:
- Del fluido caliente a la superficie adyacente de la pared por convección.
- A través del lado de la superficie de la pared por conducción.
- De la pared al fluido frío por convección.
