La Relación entre Carga de Calor, Intercambiador de Calor y Carga de Vapor

Cálculos para aplicaciones de intercambio de calor incluyendo las cargas de diseño y los requisitos de presión/caudal de vapor

El vapor saturado se usa para proporcionar calor primario a un fluido de proceso en un intercambiador de calor. El término intercambiador de calor se usa para describir todos los tipos de equipos donde se promueve la transferencia de calor de un fluido a otro. Por conveniencia, esta definición amplia se aplicará al término intercambiador de calor. Mientras que se hará referencia principalmente a intercambiadores de calor tubulares y de placas, el estancamiento también puede ser relevante para aplicaciones que incluyen baterías calefactoras de aire, serpentines sumergidos en tanques, recipientes con camisa y calentadores de almacenamiento.

Aplicaciones con control de temperatura En una aplicación de control de temperatura, la temperatura de entrada del fluido secundario al intercambiador de calor puede cambiar con el tiempo. Esto significa que para mantener una temperatura de salida del fluido secundario consistente, el calor suministrado al intercambiador de calor también debe variar. Esto puede lograrse usando una válvula de control en la entrada del lado primario del intercambiador de calor, como se muestra en la Figura 13.2.1.. Se usa una válvula de control para variar el caudal y la presión del vapor de modo que la entrada de calor al intercambiador de calor pueda controlarse. Modular la posición de la válvula de control entonces controla la temperatura de salida del fluido secundario. Un sensor en la salida del fluido secundario monitorea su temperatura y proporciona una señal para el controlador. El controlador compara la temperatura real con la temperatura de ajuste y, como resultado, señala al actuador para ajustar la posición de la válvula de control.

Para un área de calentamiento y coeficiente de transferencia de calor constantes, la tasa a la cual se transfiere calor del vapor al fluido secundario para un intercambiador de calor particular está determinada por la diferencia de temperatura media entre los dos fluidos. Una diferencia mayor en las temperaturas medias creará una gran tasa de transferencia de calor y viceversa. Al cerrar parcialmente la válvula de control, la presión del vapor y la diferencia de temperatura caen. Inversamente, si la válvula de control se abre para que el flujo másico de vapor y por lo tanto la presión en el intercambiador de calor aumenten, la diferencia de temperatura media entre los dos fluidos aumenta.

Alterar la presión del vapor también afectará ligeramente la cantidad de energía térmica disponible en el vapor condensado ya que la entalpía de evaporación realmente disminuye con el aumento de la presión. Esto significa que el calor latente disponible por kg de vapor se reduce a medida que la presión del vapor aumenta. Si se requiere precisión en el flujo de vapor, esto debe tenerse en cuenta. Ejemplo 13.2.1 Un fabricante va a diseñar un intercambiador de calor en el cual la especificación requiere vapor a 4 bar g para calentar agua secundaria desde 10°C hasta 60°C. El flujo de agua será constante en todas las cargas a 1,5 L/s. Se asume que 1 litro de agua tiene una masa de 1 kg, por lo que el caudal másico = 1,5 L/s x 1 kg/L = 1,5 kg/s.

El fabricante usa un coeficiente de transferencia de calor ‘U’ para el intercambiador de calor de 2 500 W/m² °C. Tome el calor específico del agua como 4,19 kJ/kg °C. Determinar: (A) La carga de calor de diseño.

(B) El caudal de vapor correspondiente.

(C) El área de calentamiento mínima requerida.

También, si la carga de calor mínima del cliente ocurre cuando la temperatura del agua de entrada aumenta a 30°C, determine:

(D) La carga de calor mínima.

(E) La presión del vapor correspondiente en el intercambiador de calor.

(F) El caudal de vapor correspondiente. Cálculos: (A) Encontrar la carga de calor de diseño usando la ecuación de flujo de transferencia de calor (Ecuación 2.6.5): Para calcular el caudal de vapor correspondiente, primero es necesario determinar la temperatura del vapor en la condición de carga mínima. Es posible usar las figuras de diseño ΔTLM para predecir con precisión la temperatura del vapor para cualquier condición de carga, pero esto requiere el uso de cálculos logarítmicos. Sin embargo, una vez que el tamaño del intercambiador es fijo y las temperaturas de diseño son conocidas, es mucho más fácil predecir las temperaturas de operación usando lo que podría denominarse una Constante de Diseño de Temperatura (TDC) del intercambiador de calor.

El método TDC no requiere cálculos logarítmicos. Por favor note: TDC no puede usarse en aquellas aplicaciones donde el caudal secundario varía o donde el control se logra variando el nivel de condensado en el espacio de vapor. Nota: Al dimensionar un intercambiador de calor es normal que los fabricantes de intercambiadores de calor usen el método ΔTLM. Una vez dimensionado, conociendo el área de calentamiento y las temperaturas de operación a carga completa, el TDC puede usarse para predecir con precisión todas las temperaturas de operación resultantes de cambios en la carga, como puede verse en el siguiente texto. Las temperaturas de operación también pueden predecirse gráficamente usando lo que se denomina un ‘Gráfico de Estancamiento’. Este método se discute en los Módulos 13.5, 13.6 y 13.7. Constante de Diseño de Temperatura (TDC) Para cualquier tipo de intercambiador de calor calentado por vapor con el líquido secundario fluyendo a una tasa constante, el TDC puede calcularse a partir de las cifras de prueba citadas por el fabricante para carga completa. Si estos conjuntos de datos no están disponibles y el intercambiador de calor ya está instalado en servicio, el TDC puede calcularse observando la presión del vapor (y encontrando la temperatura del vapor de las tablas de vapor) y las temperaturas correspondientes de entrada y salida secundarias a cualquier carga.

El TDC es la relación de las temperaturas de vapor a agua en la entrada y salida; y se muestra en la Ecuación 13.2.2. La ecuación TDC puede transponerse para encontrar cualquier variable siempre que las otras tres variables sean conocidas. Las siguientes ecuaciones se derivan de la ecuación TDC (Ecuación 13.2.2).

Para encontrar la temperatura del vapor a cualquier carga use la Ecuación 13.2.3: Para encontrar la temperatura de entrada del fluido secundario a cualquier carga use la Ecuación 13.2.4: Para encontrar la temperatura de salida del fluido secundario a cualquier carga use la Ecuación 13.2.5: Para cualquier intercambiador de calor con un caudal secundario constante, la temperatura de operación del vapor puede calcularse para cualquier combinación de temperatura de entrada y temperatura de salida.

En el Ejemplo 13.2.1 la temperatura de salida secundaria permanece en 60°C, y la carga mínima ocurre cuando la temperatura de entrada es 30°C. ¿Cuál es la temperatura del vapor a carga mínima?

Temperatura de entrada = 30°C

Temperatura de salida = 60°C (E) Encontrar la presión del vapor correspondiente en el intercambiador de calor y la entalpía a carga mínima

De las tablas de vapor:

Una temperatura de vapor de 115,2°C corresponde con una presión de vapor de 0,7 bar g.

La entalpía específica de evaporación a 0,7 bar g (hfg) = 2 215 kJ/kg

(F) Encontrar el caudal de vapor a carga mínima:

De (D) la carga de calor mínima es 188,5 kW.

De (E) el hfg es 2 215 kJ/kg. Usando la Ecuación 2.8.1: