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Guía para seleccionar el intercambiador de calor adecuado para aplicaciones de procesamiento térmico

superficie de rascado intercambiador de calor

El procesamiento térmico es una parte esencial de muchos procesos de producción. Ya sea cocinando, pasteurizando o esterilizando, o calentando o enfriando una gama de productos, es una apuesta segura que muchos fabricantes utilizarán un intercambiador de calor para llevar a cabo sus requisitos de procesamiento térmico. Sin embargo, con una variedad de aplicaciones posibles, es importante que seleccione el intercambiador de calor adecuado para sus necesidades individuales.

Conozca su proceso

Hay varios tipos en el mercado: placa, tubular, tubo corrugado, superficie raspada, etc. Cada uno es adecuado para una aplicación particular, así que piense detenidamente sobre su proceso, incluida la naturaleza del material / s a ​​calentar o enfriar. , el objetivo del proceso (como el calentamiento o la pasteurización) y cualquier restricción del entorno en el que se va a utilizar el intercambiador de calor.

La fuerza impulsora para la transferencia de calor es la diferencia de temperatura entre las dos sustancias (en la mayoría de los casos, fluidos). En el caso de un intercambiador de calor tubular liso, la temperatura de dos fluidos simples cambia a medida que pasan a través del intercambiador de calor.

Una de las razones para hacer intercambiadores de calor de tubo corrugado y superficie raspada es que son adecuados para fluidos y materiales con propiedades complejas, como fluidos viscosos y no newtonianos, o para materiales que contienen partículas o sedimentos. Por lo tanto, siempre debe tener en cuenta el material a procesar antes de seleccionar su intercambiador de calor y es una buena idea buscar el asesoramiento profesional de los fabricantes y sus agentes, para ayudar con el proceso de selección.

Una talla no sirve para todos

Una vez que se ha elegido el tipo de intercambiador correcto, los procesadores deben asegurarse de que el modelo suministrado tenga el tamaño correcto para el trabajo. En otras palabras, que ofrece la cantidad correcta de transferencia de calor para el fluido / s que se está tratando y al rendimiento requerido. El intercambiador de calor debe tener un área de transferencia de calor lo suficientemente grande para los fluidos especificados y sus temperaturas de entrada y salida especificadas. La mayoría de los cálculos también deben tener en cuenta variables tales como si el intercambiador de calor funciona utilizando contraflujo o flujo paralelo.

Rompiendo barreras

Otro factor importante que controla la transferencia de calor es la resistencia al flujo de calor a través de las diversas "capas" que forman una barrera entre los dos fluidos. En efecto, hay cinco de estas capas:

  • La "capa límite" interior formada por el fluido que fluye en contacto cercano con la superficie interior del tubo.
  • La capa incrustante formada por la deposición de sólidos o semisólidos en la superficie interior del tubo (que puede estar o no presente).
  • El espesor de la pared del tubo y el material utilizado, que regirá la resistencia al flujo de calor a través del tubo en sí.
  • La capa de suciedad formada por la deposición de sólidos o semisólidos en la superficie exterior del tubo (que puede o no estar presente).
  • La "capa límite" exterior formada por el fluido que fluye en contacto cercano con la superficie exterior del tubo.
  • Los valores para los números 2 y 4 generalmente pueden ser suministrados por el cliente en función de la experiencia, mientras que el diseñador del intercambiador de calor seleccionará el tamaño del tubo, el grosor y los materiales para adaptarse a la aplicación. La resistencia al flujo de calor resultante de los números 1 y 5 (conocidos como coeficientes de transferencia de calor parcial) depende tanto de la naturaleza de los fluidos como de la geometría de las superficies de transferencia de calor.

Creando turbulencia

Una forma de prevenir la acumulación de estas capas es aumentar la velocidad a la que el fluido pasa a través del intercambiador de calor, de modo que se forme una turbulencia y la capa límite se desprenda de la superficie del tubo. Este es el punto en el que el denominado flujo laminar (con el fluido atravesando en capas lisas, donde la capa más interna fluye a mayor velocidad que la más externa) se convierte en flujo turbulento (donde el fluido no fluye en capas suaves sino que se mezcla o agitado mientras fluye).

La velocidad a la que esto ocurre está influenciada por muchos factores diferentes, pero para cuantificarlo para especificar intercambiadores de calor, los ingenieros usan algo llamado número de Reynolds. Esto está determinado por el diámetro del tubo, la velocidad de la masa del fluido y su viscosidad. Los números de Reynolds inferiores a 2100 describen flujos laminar, mientras que los números superiores a 10000 describen un flujo turbulento completo. Entre los dos valores se encuentra un área de incertidumbre llamada zona de transición, donde vemos una transición general del flujo laminar completo al flujo turbulento completo. En la práctica, los ingenieros intentan proporcionar soluciones fuera de esta zona tanto como sea posible. La deformación del tubo, como la corrugación, ayuda a aumentar el rendimiento de transferencia de calor una vez que ingresa al área de flujo turbulento (Reynold> 2100). Esta es la razón principal para usar intercambiadores de calor de tubo corrugado.

Cálculos de estado de la técnica

Al igual que con cualquier tipo de ciencia, las matemáticas y la comprensión de la dinámica térmica continúa evolucionando y mejorando. Sin embargo, gran parte de la literatura comúnmente usada para construir cálculos y el rendimiento del intercambiador de calor puede tener hasta 80 años y no siempre refleja la ciencia más reciente. Además, aunque hay literatura científica sobre el comportamiento de los fluidos en tubos lisos y corrugados, hay pocos datos publicados sobre intercambiadores de calor de superficie rascada.

Usando nuestra experiencia y los datos científicos más recientes disponibles, HRS ha producido un nuevo programa de software de última generación que usamos para calcular el tamaño necesario de nuestros intercambiadores de calor. Ya está produciendo algunos resultados interesantes y brindando nuevos conocimientos sobre cómo diseñar intercambiadores de calor tubulares y de superficie rascada que proporcionen los mejores niveles de rendimiento.

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