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Mg. Amancio R. Rojas Flores ANÁLISIS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

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Mg. Amancio R. Rojas Flores

ANÁLISIS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

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En la práctica los intercambiadores de calor son de uso común y un ingeniero se encuentra a menudo en la posición de:

seleccionar un intercambiador de calor que logre un cambio de temperatura específica de una corriente de fluido de gasto de masa conocido.

Predecir las temperaturas de salida de las corrientes de fluido caliente y del frío en un intercambiador de calor específico.

Existen dos métodos usados en el análisis de los intercambiadores de calor. De éstos, el de la diferencia media logarítmica de temperatura (o LMTD) es él más apropiado para la primera tarea y el método de la efectividad~NTU, para la segunda.

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•Aparatos de flujo estacionario, como tales, el gasto de masa de cada fluido permanece constante y las propiedades de los fluidos, como la temperatura y la velocidad, en cualquier entrada o salida, siguen siendo las mismas.

•Los cambios en la energía cinética y en la potencial son despreciables

•En general, el calor específico de un fluido cambia con la temperatura, pero, en un intervalo específico de temperaturas, se puede considerar como una constante en algún valor promedio, con poca pérdida en la exactitud.

•La conducción axial de calor a lo largo del tubo suele ser insignificante y se puede considerar despreciable.

•Se supone que la superficie exterior del intercambiador de calor está perfectamente aislada, de modo que no se tiene pérdida de calor hacia el medio circundante y cualquier transferencia de calor sólo ocurre entre los dos fluidos.

Si se adoptan las siguientes consideraciones :

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)( ,, entcsalcpcc TTCmQ −=••

)( ,, salhenthphh TTCmQ −=••

donde los subíndices c y h se refieren a los fluidos frío y caliente, respectivamente, y••

hc mm , = gastos de masa

phpc CC , = calores específicos

salhsalc TT ,, − = temperaturas de salida

enthentc TT ,, − = temperaturas de entrada

En el análisis de los intercambiadores de calor a menudo resulta conveniente combinar el producto del gasto de masa y el calor específico de un fluido en una sola cantidad. Ésta se llama razón de capacidad calorífica y se define para las corrientes de los fluidos caliente y frío como

phhh CmC•

= pccc CmC•

=

Con estas suposiciones, la primera ley de la termodinámica requiere que la velocidad de la transferencia de calor desde el fluido caliente sea igual a la transferencia de calor hacia el frío; es decir:

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)( ,, entcsalcc TTCQ −=•

)( ,, salhenthh TTCQ −=•

Es decir, la razón de la transferencia de calor en un intercambiador es igual a la razón de capacidad calorífica de cualquiera de los dos fluidos multiplicada por el cambio de temperatura en ese fluido.

la única ocasión en que la elevación de la temperatura de un fluido frío es igual a la caída de temperatura del fluido caliente es cuando las razones de capacidad calorífica de los dos fluidos son iguales

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Dos tipos especiales de intercambiadores de calor de uso común en la práctica son los condensadores y las calderas. En ellos uno de los fluidos pasa por un proceso de cambio de fase y la razón de la transferencia de calor se expresa como

fghmQ••

=

donde•

m es la rapidez de la evaporación o de la condensación del fluido

hfg es su entalpía de vaporización a la temperatura o presión especificadas.

Un fluido común absorbe o libera una gran cantidad de calor a temperatura constante durante un proceso de cambio de fase

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La razón de capacidad calorífica de un fluido durante un proceso de este tipo debe tender al infinito puesto que el cambio en la temperatura es prácticamente cero; es decir,

∞→=•

pc CmC cuandoΔT→0 ,

TCm pcQ Δ=••

es una cantidad finita.

Por lo tanto, en el análisis de los intercambiadores de calor un fluido en condensación o en ebullición se considera de manera conveniente como un fluido cuya razón de capacidad calorífica es infinita.

La razón de la transferencia de calor en un intercambiador también se puede expresar de una manera análoga a la ley de Newton del enfriamiento como

DondeU es el coeficiente total de transferencia de calor

A es el área de transferencia del calor

mTΔ es una apropiada diferencia promedio de temperatura entre los dos fluidos

ms TUAQ Δ=•

de modo que la razón de la transferencia de calor

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MÉTODO DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARÍTMICA

La diferencia de temperatura entre los fluidos caliente y frío varía a lo largo del intercambiador de calor y resulta conveniente tener una diferencia de temperatura media ΔTm . para usarse en la relación

ms TUAQ Δ=•

Con el fin de desarrollar una relación para la diferencia de temperatura promedio equivalente entre los dos fluidos considérese el intercambiador de calor de tubo doble y flujo paralelo que se muestra en la figura

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Nótese que la diferencia de temperatura ΔT entre los fluidos caliente y frío es grande en la entrada del intercambiador, pero disminuye en forma exponencial hacia la salida.

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Si se supone que la superficie exterior del intercambiador está bien aislada, de modo que cualquier transferencia de calor ocurre entre los dos fluidos y se descartan cualesquiera cambios en la energía potencial y cinética, un balance de energía en cada fluido, en una sección diferencial del intercambiador, se puede expresar como

hphh dTCmQ••

−=δcpcc dTCmQ

••

−=δ

Es decir, la razón de la pérdida de calor desde el fluido caliente, en cualquier sección del intercambiador, es igual a la razón de la ganancia de calor por el fluido frío en esa sección.

El cambio en la temperatura del fluido caliente es una cantidad negativa y, por consiguiente, se añade un signo negativo a la ecuación 16 para hacer que la razón de la transferencia de calor Q sea una cantidad positiva.

…(16) …(17)

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Si se despejan de las ecuaciones antes dadas dTh , y dTc , da

phh

h

Cm

QdT •

−=δ

pcc

c

Cm

QdT •

−=δ

Al restar la segunda de la primera se obtiene

( )⎟⎟⎟

⎜⎜⎜

⎛+−=−=− ••

pccphh

chchCmCm

QTTddTdT 11δ

La razón de la transferencia de calor en la sección diferencial de l intercambiador también se puede expresar como

( ) sch dATTUQ −=•

δ

…(20)

Al sustituir esta ecuación en la (20) y reacomodar los términos da

( )⎟⎟⎟

⎜⎜⎜

⎛+−=

−−

••

pccphh

sch

ch

CmCmUdA

TTTTd 11

…(19)…(18)

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Al hacer la integración desde la entrada del intercambiador hasta su salida, se obtiene

⎟⎟⎟

⎜⎜⎜

⎛+−=

−−

••

pccphh

sentcenth

salcsalh

CmCmUA

TTTT 11ln

,,

,,

Por último, se despejan de las ecuaciones (19) y (20) phh Cm•

pcc Cm•

y

…(23)

se sustituyen en la ecuación (23) que después de un poco de reacomodo produce

mls TUAQ Δ=•

en donde( )21

21

/ln TTTTTml ΔΔ

Δ−Δ=Δ

es la diferencia de temperatura media logarítmica

que es la forma apropiada de la diferencia de temperatura promedio que debe usarse en el análisis de los intercambiadores de calor.

…(25)

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En este caso, ΔT1 , y ΔT2 representan la diferencia de temperatura entre los dos fluidos en ambos extremos (de entrada y de salida) del intercambiador. No existe diferencia con respecto a cuál de los extremos de éste se designe como la entrada o la salida,

Fig.15 Expresiones de ΔT1 y ΔT2 en los intercambiadores de flujo paralelo y a contraflujo

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INTERCAMBIADORES DE CALOR A CONTRAFLUJO

En la figura se da la variación de las temperaturas de los fluidos caliente y frío en un intercambiador de calor a contraflujo.

Nótese que los fluidos caliente y frío entran en el intercambiador por los extremos opuestos y, en este caso, la temperatura de salida del fluido frío es posible que sobrepase la de salida del fluido caliente.

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La relación antes dada para la diferencia de temperatura media logarítmica se desarrolla usando un intercambiador de flujo paralelo, pero si se repite el análisis antes dado para uno a contraflujo, se puede demostrar que también es aplicable a los intercambiadores a contraflujo; aunque, en esta ocasión, ΔT1 , y ΔT2 se expresen como se muestra en la figura (15).

Para temperaturas de entrada y de salida específicas, la diferencia de temperatura media logarítmica para un intercambiador a contraflujo siempre es mayor que la correspondiente a uno de flujo paralelo.

Es decir, ΔTml, CF >ΔTml, FP , y, por ende, se necesita un área superficial más pequeña (y, por consiguiente, un intercambiador más pequeño) para lograr una razón específica de la transferencia de calor en un intercambiador de este tipo.

Por lo tanto, en los intercambiadores de calor es una práctica común usar disposiciones a contraflujo.

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En un intercambiador a contraflujo la diferencia de temperatura entre los fluidos caliente y frío permanecerá constante a lo largo del mismo cuando las razones de capacidad calorífica de los dos fluidos sean iguales (es decir, ΔT = constante cuando Ch = Cc , o bien,

pccphh CmCm••

=

Entonces, se tiene ΔT1 = ΔT2 , y la última relación para la diferencia de temperatura media logarítmica da ΔTml = 0/0 la cual es una forma indeterminada. Mediante la aplicación de la regla de I'Hospital, se puede demostrar que, en este caso, se tiene ΔTml =ΔT1 = ΔT2 , como era de esperarse.

Se puede considerar que un condensador o una caldera son intercambiadores de calor de flujo paralelo o a contraflujo, ya que los dos enfoques conducen al mismo resultado.

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INTERCAMBIADORES DE CALOR DE PASOS MÚLTIPLES Y DE FLUJO CRUZADO:

USO DE UN FACTOR DE CORRECCIÓN

La relación para la diferencia de temperatura media logarítmica ΔTml desarrollada con anterioridad sólo se limita a los intercambiadores de flujo paralelo o a contraflujo.

También se desarrollan relaciones similares para los intercambiadores de flujo cruzado y de tubos y coraza de pasos múltiples, pero las expresiones resultantes son demasiado complicadas debido a las complejas condiciones de flujo.

En esos casos resulta conveniente relacionar la diferencia equivalente de temperatura con la relación de la diferencia media logarítmica para el caso de contraflujo, como

CFmlml TFT ,Δ=Δ

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en donde F es el factor de corrección, el cual depende de la configuración geométrica del intercambiador y de las temperaturas de entrada y de salida de las corrientes de fluido caliente y frío.

ΔTml,CF es la diferencia media logarítmica de temperatura para el caso del intercambiador a contraflujo, con las mismas temperaturas de entrada y de salida, y se determina con base en la ecuación (25), tomando

salhenth TTT ,,1 −=Δ y senthsalh TTT ,,2 −=Δ

Para un intercambiador de flujo cruzado y uno de casco y tubos de pasos múltiples, el factor de corrección es menor que la unidad; es decir, F≤

1.

El valor límite de F = 1 corresponde al intercambiador a contraflujo.

Por tanto, el factor de corrección F para un intercambiador de calor es una medida de la desviación de la ΔTml con respecto a los valores correspondientes para el caso de contraflujo

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En la figura (18) se da el factor de corrección F para las configuraciones comunes de los intercambiadores de flujo cruzado y de casco y tubos en función de las razones P y R entre dos temperaturas, definidas como

11

12

tTttP

−−

=corazaladeladocpm

tubodelladocpm

ttTTR

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=−−

=•

12

21

en donde los subíndices 1 y 2 se refieren a la entrada y la salida, respectivamente.

Nótese que para un intercambiador de tubos y coraza, T y t representan las temperaturas del lado de la coraza y del lado del tubo, respectivamente, como se muestra en los diagramas del factor de corrección.

No existe diferencia en que el fluido caliente o el frío fluyan por la coraza o el tubo. La determinación del factor de corrección F requiere que se disponga de las temperaturas de entrada y de salida, tanto para el fluido frío como para el caliente.

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El método de la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) por sus siglas en ingles) discutido es fácil de aplicar en el análisis de los intercambiadores de calor cuando se conocen, o se pueden determinar, las temperaturas a la entrada y a la salida de los fluidos caliente y frío a partir de un balance de energía.

Una vez que se dispone de la ΔTml , los gastos de masa y el coeficiente de transferencia de calor total se puede determinar el área superficial de transferencia de calor a partir de

mls TUAQ Δ=•

Por lo tanto, el método de la LMTD resulta muy adecuado para la determinación del tamaño de un intercambiador de calor con el fin de dar lugar a las temperaturas prescritas de salida cuando se especifican los gastos de masa y las temperaturas de entrada y de salida de los fluidos caliente y frío.

Conclusión

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Con el método de la LMTD, la tarea es seleccionar un intercambiador que satisfaga los requisitos prescritos de transferencia de calor. El método que debe seguirse en el proceso de selección es:

1. Seleccionar el tipo de intercambiador de calor apropiado para la aplicación.

2. Determinar cualquier temperatura desconocida de entrada o de salida y la razón de la transferencia de calor mediante un balance de energía.

3. Calcular la diferencia de temperatura media logarítmica ΔTml y el factor de corrección F si es necesario.

4. Obtener (seleccionar o calcular) el valor del coeficiente de transferencia de calor total U.5. Calcular el área superficial As de transferencia de calor.

La tarea se completa al seleccionar un intercambiador de calor que tenga un área superficial de transferencia de calor igual a As o mayor que ésta.

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METODO DE LA EFECTIVIDAD-NTU

Una segunda clase de problema que se encuentra en el análisis de los intercambiadores de calor es la determinación de la razón de la transferencia de calor y las temperaturas de salida de los fluidos caliente y frío para valores prescritos de gastos de masa y temperaturas de entrada de los fluidos, cuando se especifican el tipo y el tamaño del intercambiador.

En este caso se conoce el área superficial para la transferencia de calor del intercambiador, pero se ignoran las temperaturas de salida; la tarea es determinar el rendimiento con respecto a la transferencia de calor de un intercambiador específico, o bien, determinar si un intercambiador del que se dispone en el almacén realizará el trabajo.

Todavía se podría aplicar el método de la LMTD para este problema alternativo, pero el procedimiento requeriría tediosas iteraciones y, como consecuencia, no sería práctico.

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En un intento por eliminar las iteraciones de la resolución de esos problemas, Kays y London presentaron en 1955 un procedimiento llamado método de la efectividad-NTU, el cual simplificó mucho el análisis de los intercambiadores de calor.

Este método se basa en un parámetro adimensional llamado efectividad de la transferencia de calor ε

definido como

calordeciatransferenladeposiblemáximaRazónrealcalordeciatransferenladeRazón

QQ

máx

==•

ε

La razón de la transferencia de calor real de un intercambiador de calor se puede determinar con base en un balance de energía en los fluidos caliente y frío y se puede expresar como

…(29)

( ) ( )salhenthhentcsalcc TTCTTCQ ,,,, −=−=•

…(30)

dondepccc cmC

= phch cmC•

=yson las razones de capacidad calorífica de los fluidos frío y caliente, respectivamente.

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Para determinar la razón máxima posible de la transferencia de calor de un Intercambiador, en primer lugar se reconoce que la diferencia de temperatura máxima que se produce en él es la diferencia entre las temperaturas de entrada de los fluidos caliente y frío; es decir

entcenthmáx TTT ,, −=Δ

La transferencia de calor en un intercambiador alcanzará su valor máximo cuando

o El fluido frío se caliente hasta la temperatura de entrada del caliente o El fluido caliente se enfríe hasta la temperatura de entrada del frío.

Estas dos condiciones límites no se alcanzarán en forma simultánea a menos que las razones de capacidad calorífica de los fluidos caliente y frío sean idénticas

(es decir, Cc = Ch ). Cuando Cc ≠

Ch , el cual suele ser el caso, el fluido con la razón de capacidad calorífica menor experimentará un cambio más grande en la temperatura y, de este modo, será el primero en experimentar la diferencia máxima de temperatura, en cuyo punto se suspenderá la transferencia de calor.

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Por lo tanto la razón máxima posible de transferencia de calor en un intercambiador es

( )entcenthmínmáxTTCQ ,, −=

en donde Cmín es el menor entre Ch , y Cc .

La determinación de Qmáx requiere que se disponga de la temperatura de entrada de los fluidos caliente y frio y de sus gastos de masa, los cuales suelen especificarse.

Entonces, una vez que se conocen la efectividad del intercambiador de calor, se puede determinar la razón de la transferencia de calor real Q a partir de.

( )entcenthmínmáxTTCQ Q ,, −==

••

εε

Por lo tanto, la efectividad de un intercambiador de calor permite determinar la razón de la transferencia de calor sin conocer las temperaturas de salida de los fluidos.

…(33)

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La efectividad de un intercambiador de calor depende de su configuración geométrica así como de la configuración del flujo.

Por lo tanto, los diferentes tipos de intercambiadores tienen relaciones diferentes para la efectividad.

A continuación se ilustra el desarrollo de la relación de la efectividad ε

para un intercambiador de tubo doble y flujo paralelo.

La ecuación (23), desarrollada para un intercambiador de flujo paralelo, se puede reacomodar para quedar

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−=

−−

h

c

c

s

entcenth

salcsalh

CC

CUA

TTTT

1ln,,

,, …(34)

Asimismo, si se despeja Th,sal de la ecuación (30) da

( )entcsalch

centhsalh TT

CCTT ,,,, −−=

Al sustituir esta relación en la ecuación (34) después de sumar y restar Tc,ent da

( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−=

−−−+−

h

c

c

s

entcenth

entcsalch

csalcentcentcenth

CC

CUA

TT

TTCCTTTT

1ln,,

,,,,,,…(36)

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la cual se simplifica a( )

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−=⎥

⎤⎢⎣

−−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−

h

c

c

s

entcenth

entcsalc

h

c

CC

CUA

TTTT

CC 111ln

,,

,,

Ahora se manipula la definición de efectividad para obtener

( ))( ,,

,,

entcenthmín

entcsalcc

máxTTC

TTC

Q

Q−−

== •

ε →c

mín

entcenth

entcsalc

CC

TTTT

ε=−−

,,

,,

Si se sustituye este resultado en la ecuación (36) y se despeja se obtiene la siguiente relación para la efectividad de un intercambiador de calor de flujo paralelo:

c

mín

h

c

h

c

c

s

paraleloflujo

CC

CC

CC

CUA

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−−

=1

1exp1ε

…(37)

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Al tomar Cc o Ch para que sea Cmín (los dos procedimientos conducen al mismo resultado), la relación que acaba de obtenerse se puede expresar de manera más conveniente como

c

mín

máx

mín

mín

s

paraleloflujo

CC

CC

CUA

+

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−−

=1

1exp1ε

Una vez más Cmin es la razón de capacidad calorífica menor y Cmáx , es la mayor, y no existe diferencia en si Cmín pertenece al fluido caliente o al frío.

Por lo común las relaciones de la efectividad de los intercambiadores de calor incluyen el grupo adimensional UAs /Cmín . Esta cantidad se llama número de unidades de transferencia, NTU (por sus siglas en inglés), y se expresa como

míncm

UACUANTU

p

s

mín

s

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

==•

en donde U es el coeficiente de transferencia de calor total y As es el área superficial de transferencia del intercambiador.

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Nótese que el NTU es proporcional a As Por lo tanto, para valores específicos de U Y Cmin , el valor del NTU es una medida del área superficial de transferencia de calor, As Por ende, entre mayor sea el NTU, más grande es el intercambiador de calor.

En el análisis de los intercambiadores de calor también resulta conveniente definir otra cantidad adimensional llamada relación de capacidades c como

máx

mín

CCc =

Se puede demostrar que la efectividad de un intercambiador de calor es una función del número de unidades de transferencia NTU y de la relación de capacidades c; es decir,

ε

= función (UAs /Cmín , Cmín /Cmáx ) = función (NTU, c)

Se han desarrollado relaciones de la efectividad para un gran número de intercambiadores, también se tienen las gráficas de las efectividades de algunos tipos comunes de intercambiadores

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Observaciones con base en las relaciones y diagramas de la efectividad:

El valor de la efectividad varía desde 0 hasta 1 Aumenta con rapidez para los valores pequeños de NTU (hasta alrededor de NTU = 1.5),pero más bien con lentitud para valores más grandes.

No es posible justificar económicamente el uso de un intercambiador de calor con un NTU grande (por lo común mayor que 3) y, por consiguiente, un tamaño también grande, ya que un gran incremento en el NTU corresponde a un incremento pequeño en la efectividad.

Por tanto, desde el punto de vista de la transferencia de calor puede ser muy deseable contar un intercambiador con una efectividad elevada pero resulta más bien indeseable desde el punto de vista económico.

1.-

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2.-Para un NTU y una relación de capacidades c = Cmín /Cmáx dados, el intercambiador a contraflujo tiene la efectividad más elevada, seguido muy de cerca por los de flujo cruzado con los dos fluidos en flujo no mezclado.

Como se podría esperar, los valores más bajos de la efectividad se encuentran en los intercambiadores de flujo paralelo

3.-La efectividad de un intercambiador de calor es independiente de la relación de capacidades c para valores de NTU menores que 0.3.

4.-El valor de la relación de capacidades c va desde 0 hasta 1. Para un NTU dado, la efectividad se convierte en un máximo para c = 0 y en un mínimo, para c = 1.El caso c = Cmín /Cmáx →0 corresponde a Cmáx →∞

lo cual se logra

durante un proceso de cambio de fase en un condensador o una caldera. En este caso todas las relaciones de la efectividad se reducen a

( )NTUmáx −−== exp1εε

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sin importar el tipo del intercambiador (figura 28). Nótese que, en este caso, la temperatura del fluido en condensación o en ebullición permanece constante. En el otro caso límite de c = Cmín /Cmáx = 1, el cual se logra cuando las relaciones de las capacidades caloríficas de los dos fluidos son iguales, la efectividad es la más baja.

Una vez que se han evaluado las cantidades c = Cmín /Cmáx y NTU = UAs /Cmín , se puede determinar la efectividad a basándose en cualquiera de los diagramas o en la relación de la efectividad para el tipo específico de intercambiador.

Entonces, a partir de las ecuaciones (33) y (30), respectivamente, se pueden determinar la razón de la transferencia de calor, Q, y las temperaturas de salida, Th,sal y Tc,sal .

Nótese que el análisis de los intercambiadores de calor con temperaturas desconocidas a la salida es un procedimiento directo con el método de la efectividad-NTU pero con el método de la LMTD se requieren iteraciones un tanto tediosas.

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SELECCIÓN DE LOS NTERCAMBIADORES DE CALORLos intercambiadores de calor son aparatos complicados y los resultados que se obtuvieron con los procedimientos simplificados que se presentaron en los párrafos anteriores deben usarse con cuidado.

Por ejemplo, se supuso que el coeficiente de transferencia de calor total U es constante a lo largo de todo el intercambiador y que los coeficientes de transferencia de calor por convección se pueden predecir aplicando las correlaciones de esta última.

Sin embargo, debe tenerse presente que la incertidumbre en el valor predicho de U puede incluso sobrepasar 30%. Por tanto, resulta natural diseñar los intercambiadores en exceso para evitar sorpresas desagradables.

La mejora en la transferencia de calor en los intercambiadores suele venir acompañada de un aumento en la caída de presión y, como consecuencia, de una potencia más alta de bombeo.

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Por lo tanto, cualquier ganancia proveniente de la mejora en la transferencia de calor debe contrapesarse con el costo de la caída de presión que la acompaña.

Asimismo, debe pensarse en cuál de los fluidos debe pasar por el lado de los tubos y cuál por el lado de la coraza.

Por lo común el fluido más viscoso es el más apropiado para el lado de la coraza (un área más grande de paso y, como consecuencia, menor caída de presión) y el fluido con la presión más elevada por el lado de los tubos.

Los ingenieros en la industria a menudo se encuentran en una posición en la que tienen que seleccionar los intercambiadores para realizar ciertas tareas de transferencia de calor.

En general, el objetivo es calentar o enfriar cierto fluido con un gasto de masa y una temperatura conocidos hasta una temperatura deseada.

Por tanto, la razón de la transferencia de calor del intercambiador en proyecto es lo cual determina el requisito de transferencia de calor antes de tener una idea del propio intercambiador.

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Un ingeniero que revisa los catálogos de los fabricantes de intercambiadores quedará abrumado por el tipo y número disponible de éstos. La selección apropiada depende de varios factores.

Razón de transferencia del calor

Es la cantidad más importante en la selección de un intercambiador. Un intercambiador debe ser capaz de transferir el calor a una razón específica para lograr el cambio deseado en la temperatura del fluido con el gasto de masa determinado.

Costo

Las limitaciones en el presupuesto suelen desempeñar un papel importante en la selección de los intercambiadores, excepto en algunos casos especiales en donde "el dinero no es lo más importante". Un intercambiador que existe en catálogo tiene una ventaja definida en el costo sobre los que se mandan a hacer sobre pedido.

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Potencia para el bombeo

En un intercambiador los dos fluidos suelen forzarse para que fluyan por medio de bombas o ventiladores que consumen energía eléctrica.

El costo anual de la electricidad asociada con la operación de las bombas y ventiladores se puede determinar a partir de

Costo de operación = (Potencia de bombeo, kW) X (Horas de operación, h) X (Precio de la electricidad, dólares/kWh)

en donde la potencia de bombeo es la potencia eléctrica total consumida por los motores de las bombas y los ventiladores.

Por lo común, las velocidades de los fluidos que se encuentran en los intercambiadores varían entre 0.7 y 7 m/s para los líquidos y entre 3 y 30 m/s para los gases.

Las velocidades bajas son útiles para evitar la erosión, las vibraciones de los tubos y el ruido, así como la caída de presión.

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Tamaño y pesoNormalmente, entre más pequeño y más ligero es el intercambiador, mejor es.

TipoEl tipo de intercambiador que se debe seleccionar depende principalmente del tipo de fluidos que intervienen, de las limitaciones de tamaño y peso y de la presencia de cualesquiera procesos de cambio de fase.

MaterialesLos materiales que se usen en la construcción del intercambiador pueden constituir una consideración importante en la selección de los intercambiadores.

Por ejemplo, no es necesario considerar los efectos de los esfuerzos térmicos y estructurales a presiones por debajo de 15 atm o temperaturas inferiores a 150'C. Pero estos efectos constituyen consideraciones importantes por arriba de 70 atm y 550'C y limitan mucho los materiales aceptables para el intercambiador.