Cálculo y ecuación de la eficiencia del intercambiador de calor

¿Cuál es la eficiencia del intercambiador de calor?

La eficiencia es una comparación entre el rendimiento del mundo real y el rendimiento ideal; la relación entre el calor transferido en el intercambiador de calor real y el calor que se transferiría en el intercambiador de calor ideal. El rendimiento ideal se establece con el modelado e incluye las limitaciones impuestas por factores como la segunda ley de la termodinámica, que dice que se desperdician cantidades cada vez mayores de energía cada vez que se transfiere o transforma.

Al establecer los niveles involucrados en la eficiencia perfecta o ideal del intercambiador de calor, que transfiere la cantidad máxima de calor y genera la cantidad mínima de entropía, se establece un punto de referencia contra el cual se pueden medir los intercambiadores de calor de placas existentes.

Sistema de intercambiador de calor ideales

En la mayoría de los casos, se da la diferencia de temperatura media. La tasa de transferencia de calor se rige principalmente por el producto UA, que es el producto del área superficial y el coeficiente de transferencia de calor. La AU siempre se puede mejorar cambiando el diseño del intercambiador de calor o simplemente aumentando el área de superficie con un intercambiador de calor más grande. Por esa razón, no tenemos una definición práctica para un intercambiador de calor ideal.

Cálculo de la eficiencia del intercambiador de calor

Para cualquier sistema, la eficiencia normalmente se calcula comparando el rendimiento real con el rendimiento ideal.

Eficiencia = Salida real / Salida del sistema ideal

Dado que no tenemos un intercambiador de calor ideal para comparar, no podemos utilizar el concepto tradicional de eficiencia para los intercambiadores de calor. En cambio, podemos usar el valor de ‘UA’ (producto del área superficial y el coeficiente de transferencia de calor) para representar la mejor tasa de transferencia de calor que se puede lograr para las condiciones de proceso dadas (ΔT). Cuando compare diferentes diseños de intercambiadores de calor, es una buena idea comparar sus valores UA. Eso debería darle una buena idea de cuánta transferencia de calor sería posible con cada uno de ellos.

Además, existen dos modelos principales para ayudarlo a calcular la eficiencia de rendimiento de un intercambiador de calor de placas. El método de diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) proporciona una tasa de transferencia de calor a través del siguiente cálculo:

Q = UA(FΔTlm)

En esta ecuación,  U  es el coeficiente de transferencia de calor general,  A  es el área total de transferencia de calor,  ΔTlm  es la diferencia de temperatura media logarítmica y  F  es el factor de corrección de la diferencia de temperatura media logarítmica. El enfoque LMTD se adopta más comúnmente cuando se establecen las temperaturas de entrada y salida, pero aún se debe decidir el tamaño del intercambiador de calor. Como alternativa al enfoque LMTD, el método de efectividad térmica determina la transferencia de calor del mundo real que ocurre dentro del intercambiador de calor frente a la máxima transferencia de calor posible. Se expresa como una razón.

E = Q / Qmáx 

Este enfoque es más común cuando los administradores de edificios o los ingenieros intentan determinar la tasa de transferencia de calor y las temperaturas de salida del fluido, y ya conocen el tamaño del intercambiador de calor y las temperaturas de entrada.

¿Qué tipo de intercambiadores de calor es el más eficiente en general?

Los intercambiadores de calor de placas son unidades de recuperación de calor eficientes que se utilizan en una variedad de entornos comerciales, industriales y residenciales. Al extraer energía sensible del aire de escape y usarla para enfriar o calentar el aire entrante, un intercambiador de calor de placas puede marcar una gran diferencia en los costos de energía y el impacto ambiental de un edificio. Se construyen utilizando un principio de ingeniería simple.

Las capas de placas de aluminio o polímero se colocan en el núcleo de intercambio de calor con espacios entre ellas, lo que permite que el aire fluya libremente. El aire de escape se canaliza cuidadosamente entre algunas de las capas. Al mismo tiempo, el aire entrante se canaliza en la otra dirección entre las otras capas. Dependiendo del clima, el aire de escape calienta o enfría las placas. Esta energía sensible se transfiere luego al aire entrante. Los intercambiadores de calor de placas modernos pueden recuperar la gran mayoría de la energía sensible, por lo que su impacto es significativo.

Los intercambiadores de calor de placas también ofrecen otros beneficios considerables. Debido a que un intercambiador de calor de placas mantiene separados los suministros de aire entrante y saliente, no hay riesgo de contaminación cruzada.

Los intercambiadores de calor de placas también son capaces de recuperar energía reversible, lo que los hace muy adecuados para climas más cálidos donde el enfoque es enfriar, en lugar de calentar, el aire entrante. Son populares en regiones cálidas como el Medio Oriente, donde la demanda de soluciones HVAC es permanentemente alta. Finalmente, los intercambiadores de calor de placas están disponibles en una gama de diferentes tamaños. Esto significa que son apropiados para diferentes edificios, diferentes situaciones y diferentes industrias.

Con esos factores integrados en los cálculos de la industria, los intercambiadores de calor de placas siguen siendo los más eficientes de todos los intercambiadores de calor. Por lo general, pueden lograr índices de eficiencia de aproximadamente el 90 %. Esto es más alto que la eficiencia que ofrecen los intercambiadores de calor de caldera, tubulares, espirales o de carcasa y tubos. Y es esa eficiencia lo que hace que los intercambiadores de calor de placas sean tan atractivos para los administradores de edificios que buscan reducir sus costos de energía y disminuir su impacto ambiental. Sin embargo, todavía hay una gama de rendimiento disponible dentro de la familia de intercambiadores de calor de placas.

¿Son los intercambiadores de calor 100% eficientes?

La eficiencia térmica del intercambiador de calor es del 100 por ciento para todos los propósitos prácticos, excepto por una cantidad muy pequeña de pérdida de calor (posiblemente menos del 1%). Como resultado, es concebible muy poca mejora, y no nos preocupamos por ello.

Debido al flujo turbulento en ambos lados, el intercambiador de placas es el más eficiente. Es crucial tener un alto coeficiente de transferencia de calor y mucha turbulencia debido a una distribución uniforme del flujo. Una gran diferencia de temperatura, alta velocidad del fluido, alta turbulencia y un área de superficie grande contribuyen a una transferencia de calor más efectiva.

Conclusión

El presente artículo fue un intento de tratar la Eficiencia de los Intercambiadores de Calor y brindar toda la información esencial sobre qué es la Eficiencia de los Intercambiadores de Calor, cómo se calcula y qué tipo de Intercambiadores de Calor es el más eficiente. La eficiencia es una comparación entre el rendimiento del mundo real y el rendimiento ideal; la relación entre el calor transferido en el intercambiador de calor real y el calor que se transferiría en el intercambiador de calor ideal.

El concepto de eficiencia del intercambiador de calor no está muy bien definido en la literatura técnica. La eficiencia de cualquier sistema debe calcularse en función del rendimiento de algún sistema ideal. En el caso de los intercambiadores de calor, no tenemos intercambiadores de calor ‘ideales’ muy bien definidos.