DISEÑO DE INTERCAMBIADOR DE CALOR Y TRANSFERENCIA DE CALOR EN LOS TUBOS DE CALDERAS.

DISEÑO DE INTERCAMBIADOR DE CALOR.
Durante el diseño de redes de recuperación de calor se fijan parámetros importantes tales como flujos y temperaturas de entrada y salida de las corrientes que participan en el proceso de intercambio de energía. Sin embargo, durante la operación, las condiciones de operación varían por diversas razones internas o externas al proceso, como por ejemplo: incremento o reducción de la producción, cambios climatológicos, etc. En tales situaciones resulta necesario conocer cómo se comporta una red de intercambio de calor y, de ser necesario, tomar las medidas necesarias para que el proceso permanezca en condiciones aceptables de operación.
EFECTIVIDAD TERMICA
El desempeño térmico de un intercambiador de calor puede evaluarse a través de las relaciones Efectividad Térmica-Número de Unidades de Transferencia de Calor (e -NTU). La efectividad térmica de un intercambiador de calor es la relación de la carga térmica que se transfiere a la máxima carga térmica que podría transferirse. De esta definición es posible demostrar que, para un intercambiador de calor en una sola fase, la efectividad térmica se puede expresar como el cambio de temperatura de la corriente de menor flujo másico-capacidad calorífica (CP), al máximo gradiente de temperatura del intercambiador (diferencia entre las temperaturas de entrada de las corrientes).
ACTUALIZACION DE COEFICIENTES
Cuando un intercambiador de calor es sometido a una variación en cualquiera de las temperaturas de entrada, la efectividad térmica de la unidad se mantiene constante, mientras que cuando se modifican los flujos másicos de las corrientes, la efectividad térmica cambia. La manera en que se actualiza el valor de la efectividad térmica en un intercambiador de calor de tipo tubo y coraza se describe a continuación.
El coeficiente de transferencia de calor para el lado tubos y lado coraza puede obtenerse, respectivamente a partir de las siguientes correlaciones:
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DISEÑO PARA OPERACIÓN FLEXIBLE
Una red de intercambio de calor flexible es aquella capaz de mantener las temperaturas finales de las corrientes, y en particular las temperaturas de aquellas corrientes críticas, dentro de los rangos aceptables de operación aun cuando existen variaciones en las condiciones de operación. La forma de garantizar esto es a través de un esquema de control que permita aumentar o disminuir cargas térmicas conforme sea necesaria. Una de las formas más sencillas de controlar las temperaturas finales de las corrientes frías es a través de calentadores de vapor y, en el caso de corrientes calientes, a través de enfriadores. Sin embargo, una manera menos usual de lograr el control es a través del uso de by pass en los intercambiadores de calor que recuperan energía dentro del mismo proceso.
NOMENCLATURA
A Area superficial de transferencia de calor (m2)
C Relación de CPs
I: Número de intercambiadores de calor en una red
M: Número de puntos de mezcla
N: Número de corrientes de proceso
NTU: Número de unidades de transferencia de calor
R: Fracciones de flujo
T: Temperatura (° C)
U: Coeficiente global de transferencia de calor (W/m2° C)
CPmax: Producto flujo másico-capacidad calorífica (W/° C)
CPmin: Producto flujo másico-capacidad calorífica (W/° C)
hc: Coeficiente de transferencia de calor lado coraza (W/m2° C)
ht: Coeficiente de transferencia de calor lado tubos (W/m2° C)

TRANSFERENCIA DE CALOR EN LOS TUBOS DE CALDERAS.
Tubos de humo: Donde el agua a ser calentada rodea a los tubos, por donde fluyen los gases de combustión. Tubos de Agua: Donde el agua a ser calentada fluye dentro de los tubos, que se encuentran rodeados por la flama y los gases de combustión. El 95% de las calderas de vapor que operan en forma industrial, son del tipo tubos de humo (también llamadas pirotubulares). La caldera de tubos de humo, que viene siendo el caballo de batalla, en la generación de vapor industrial, tiene sus limitantes en cuanto a capacidades (máximo 1500 C.C. = Caballos Caldera) y a sus presiones de operación (máximo 20 Kg/cm²). Cuando se requiere de un tamaño mayor, es conveniente, si es posible, dividir la capacidad de caldera requerida, en 2 ó más calderas de tubos de humo, o de plano elegir una caldera de tubos de agua. Cuando se requiera de una presión mayor, será necesario elegir una caldera de tubos de agua.En la caldera de tubos de humo, el agua rodea a los tubos de gases de combustión. Una incrustación del lado agua, en los tubos bajará la transferencia de calor y por lo tanto la eficiencia de la caldera, aumentando la temperatura a la salida de los gases de combustión, al igual que en una caldera de tubos de agua. Sin embargo, este tipo de incrustación, es fácilmente removible (volviendo a su estado original) y no tiene repercusiones fatales, como en una caldera de tubos de agua, que una vez incrustada, disminuirá el flujo de agua requerido dentro de los tubos hasta dañarlos (quemarlos) totalmente. La caldera de tubos de agua requiere de un tratamiento de agua sumamente preciso, que no puede fallar. Sus requerimientos para una operación confiable son mucho más altos y requieren de un estricto control costoso. La caldera de tubos de agua, requiere de agua deareada a presión, con una eliminación del 100% del oxígeno disuelto, lo cual es totalmente innecesario en una caldera de tubos de humo, que con un sencillo deareador atmosférico, o con un alto contenido de retorno de condensados, elimina la necesidad del mismo. La caldera de tubos de agua, requiere de un control exacto de sales, mediante purgas de superficie, de preferencia continuas, que bajan considerablemente la eficiencia total de la caldera. La caldera de tubos de humo, normalmente, no requiere de las mismas, por lo que su operación es más sencilla, confiable y económica.