Transferencia de calor en intercambiadores de calor de placas

La transferencia de calor es la función principal de un intercambiador de calor.

Las leyes de la termodinámica proporcionan las reglas básicas para el diseño de intercambiadores de calor:

Primera ley de la termodinámica: Un intercambiador de calor no puede crear ni destruir energía, pero siempre existe un equilibrio entre el lado caliente y el lado frío.

Segunda ley de la termodinámica: El calor fluye de un medio caliente a uno frío para igualar la diferencia de temperatura.

La transferencia de calor es el intercambio de calor entre cuerpos calientes y fríos. Existen tres modos fundamentales por los que ocurre este fenómeno:

• Conducción
• Radiación
• Convección

En un intercambiador de calor, la transferencia de calor es una combinación de conducción y convección. Ambos mecanismos se calculan en cada caso de transferencia térmica.

Cálculo de la transferencia de calor

El coeficiente global de transferencia de calor U se calcula como la suma de la transferencia de calor por convección desde ambos lados (hhot y hcold) de la superficie de intercambio térmico, junto con la conducción (k) a través de la placa de transferencia de calor.

La conductividad se calcula utilizando la conductividad térmica del material de la placa y el espesor del material. El material de la placa suele ser acero inoxidable, con espesores que varían entre 0,7 mm y 1,5 mm. Cuanto más delgado sea el material, más eficiente será la conducción térmica a través de él. Sin embargo, la conductividad térmica del material en placas de hasta 1,0 mm suele ser insignificante en comparación con la transferencia total de calor.

Más importante que la conducción es la transferencia de calor por convección entre la superficie de la placa y el medio en movimiento. La convección, o transferencia de calor por convección, es el traslado de calor de un lugar a otro a través del movimiento de fluidos (h en la fórmula anterior).

La convección es la propiedad más difícil de calcular. Existen distintos métodos de cálculo según la geometría, así como para líquidos, gases y casos de transferencia térmica por condensación o evaporación. Las ecuaciones teóricas, como la de Dittus-Boelter, se verifican y ajustan mediante ensayos experimentales en diferentes tipos de intercambiadores de calor.

La convección es el mecanismo dominante en los intercambiadores de calor de placas, por lo tanto, es fundamental optimizar las fuerzas convectivas.

El coeficiente de transferencia de calor por convección está influenciado por las propiedades del fluido y la geometría de la superficie del intercambiador. Un fluido determinado suele venir definido por el proceso y no puede modificarse, pero el tipo y la estructura del intercambiador de calor sí pueden diseñarse para lograr la mejor transferencia térmica posible.

Por qué la transferencia de calor es mejor en los intercambiadores de calor de Plate & Shell Vahterus que en los intercambiadores de carcasa y tubos

El uso de placas de transferencia de calor, en lugar de tubos, aumenta la superficie disponible para el flujo y genera un recorrido que induce mayor turbulencia incluso a velocidades de flujo más bajas. El flujo entre placas presenta una mayor tasa de reformación de la capa límite en comparación con el flujo en tuberías, lo que explica la diferencia en el coeficiente de transferencia de calor. La reformación de la capa límite significa que el fluido no fluye de manera uniforme sobre las superficies de intercambio térmico, sino que su dirección cambia constantemente, incluso a bajas velocidades, lo cual mejora significativamente la transferencia de calor.