Intercambiador de calor paraleloEn el intercambiador paralelo, el agua caliente y el vapor fluyen en la misma dirección. El vapor, más caliente, y el agua, más fría, ingresan en el intercambiador por un extremo, y el vapor enfriado y el agua caliente salen por el otro extremo.

Intercambiador de contracorrienteEn un intercambiador de calor de flujo a contracorriente, los dos medios fluyen en direcciones opuestas. El vapor caliente ingresa por el lado izquierdo, y el agua caliente sale por ese mismo lado, mientras que el vapor enfriado sale por el lado derecho y el agua fría ingresa por la derecha también.

Ventajas y desventajasSi los diseños de los dos sistemas son idénticos, el intercambiador de contracorriente normalmente puede transferir más energía que el intercambiador de diseño paralelo, debido a que la temperatura de salida del agua fría puede acercarse a la mayor temperatura del vapor. Los intercambiadores de flujo paralelo sufren más estrés térmico debido a las diferencias de temperatura extremas en la entrada del dispositivo. Los intercambiadores paralelos son más adecuados cuando la meta es llevar los dos fluidos a la misma temperatura.

A.INTERCAMBIADORES DE CALOR: DIFERENCIA MEDIA LOGARÍTMICA DE TEMPERATURAS

Un intercambiador de calor es cualquier dispositivo que facilita la transmisión de calor entre dos

fluidos. El caso más sencillo es el de tubos concéntricos, en los cuales se dice que hay circulación

en contracorriente cuando los dos fluidos se desplazan en sentido contrario, o circulación en

paralelo, cuando lo hacen en el mismo sentido. En ellos, la temperatura de cada fluido varía

constantemente con la posición, de modo que también lo hace la diferencia de temperaturas entre

ambos.

Si la circulación es en corrientes paralelas, las temperaturas de los dos fluidos se aproximan, si

bien en todo momento la temperatura del fluido caliente es siempre superior a las del frío, (figura

8.2). Si la circulación es en contracorriente, la variación de la diferencia de temperatura es menos

acusada, siendo posible que el líquido caliente salga del intercambiador a una temperatura inferior

a la de salida del líquido frío. Esta posibilidad permite extraer, por tanto, una mayor cantidad de

calor del fluido caliente cando la circulación es en contracorriente.

Fig. 8.2. Perfiles de temperatura en un cambiador de calor. a) Flujo en paralelo;

b) flujo en contracorriente.

En ambos casos, la velocidad de flujo de calor depende de una diferencia de temperaturas no

constante, por lo que es necesario calcular el valor medio de la misma. Si se considera que el

intercambiador es adiabático, es decir, que no hay pérdidas de calor al exterior ni tampoco cesión

por parte de éste, que la cantidad de calor cedida por el fluido caliente, la ganada por el frío y la

intercambiada por ambos son iguales, que el régimen de circulación es estacionario, que no hay

cambio de fase, y que las capacidades caloríficas de ambos fluidos así como el coeficiente global

son constantes, entonces puede hacerse la siguiente deducción.

Sea un elemento de superficie del intercambiador de área "dA", a través del cual se transmite

una cantidad de calor   en la unidad de tiempo. En el contacto con dicho elemento de

superficie el fluido caliente cede una cantidad de calor:

 (8.7)

y el fluido frío recibe una cantidad de calor:

 (8.8)

siendo ambas iguales a la cantidad de calor intercambiada:  (8.9)

donde U es el coeficiente global de transmisión de calor y   la diferencia de

temperatura entre los dos fluidos cuando se ponen en contacto a través del área dA.

De as ecuaciones (8.7) y (8.8) se deduce que:

Como se cumple que  , resulta que:   (8.11)

De la combinación de (8.9) y de (8.11), se obtiene:   (8.12)

la cual, integrada para todo el cambiador, proporciona la siguiente:

en la que   e   son las diferencias de temperaturas entre los dos fluidos en los

extremos del cambiador, y A el área total del mismo.

Por otra parte, por integración del ecuación (8.11) se obtiene:  , la cual, al

combinarla con la (8.13), nos proporciona la siguiente:

(8.14)

Como quiera que la cantidad de calor transferido en la unidad de tiempo se puede expresar

en función de un valor medio de , resulta éste como la media logarítmica de los

incrementos de temperatura en los extremos del cambiador.

Para las mismas temperaturas iniciales y finales de los dos fluidos, el valor medio logarítmico

de  es mayor para la circulación en contracorriente que para la circulación en paralelo.

Cuando el coeficiente U es variable desde un extremo a otro del cambiador, se llega a una

expresión del tipo: (8.15)

Es decir, se utiliza el valor medio logarítmico de , suponiendo que U varía linealmente

con la caída de temperatura a lo largo de la superficie de calefacción.