El siguiente artículo muestra cómo calcular y comparar el valor U para la transferencia de calor del vapor y del agua caliente a través de diferentes tipos de medios, incluyendo coeficientes de película y el material real de pared.

El coeficiente total de transferencia de calor está influenciado por el espesor y la conductividad térmica de los materiales a través de los cuales se transfiere el calor. Cuanto más grande el coeficiente, más fácil se transfiere el calor desde su fuente hacia el producto que está siendo calentado. En un intercambiador de calor, la relación entre el coeficiente total de transferencia de calor (U) y la tasa de transferencia de calor (Q) puede ser demostrada mediante la siguiente ecuación:

donde,

From this equation it can be seen that the U value is directly proportional to Q, the heat transfer rate. Assuming the heat transfer surface and temperature difference remain unchanged, the greater the U value, the greater the heat transfer rate. In other words, this means that for a certain heat exchanger and product, a higher U value could lead to shorter batch times and increased production/revenue.

Hay varias ecuaciones que se pueden usar para determinar el valor U, una de ellas es:

donde,

h = coeficiente de transferencia de calor por convección, W/(m2°C) [Btu/(hr-ft2°F)]
L = espesor de pared, m [ft]
λ = conductividad térmica, W/(m°C) [Btu/(hr-ft°F)]

Por ejemplo, en el caso del calentamiento de agua, la transferencia de calor ocurre básicamente desde el fluido 1 (fuente de calor) a través de un sólido conductor (pared metálica) hacia el fluido 2 (agua, el producto que será calentado). Sin embargo, también debe considerarse la resistencia de película. Por este motivo, el coeficiente de transferencia de calor por convección (h), a veces llamado coeficiente de película, se incluye cuando se calcula la transferencia de calor entre un fluido y una pared conductiva.

Además, en ciertas aplicaciones especiales como en los procesos de calentamiento en procesos farmacéuticos o biotecnológicos, esa transferencia de calor puede ocurrir a través de varias capas de materiales. En esos casos, la ecuación de arriba puede adaptarse incorporando cada capa de espesor sólido (L) dividido por su conductividad térmica (λ).

Para facilitar los cálculos del ejemplo que se da a continuación, los siguientes valores pueden usarse como referencia para los coeficientes de transferencia de calor por convección:

Ejemplo donde se compara el efecto sobre U de las diferentes fuentes de calor; vapor o agua caliente.

Dos tanques enchaquetados de acero al carbono (λ = 50 W/(m °C) [28.9 Btu/(hr-ft °F)]) con una pared interna de 15 mm [0.049 ft] de espesor, se usan para calentar agua. Uno utiliza agua caliente como fuente de calor, mientras que el otro utiliza vapor. Suponiendo que los coeficientes de transferencia de calor son: 1,000 W/m² °C [176 Btu/(hr-ft² °F)] para el agua que será calentada, 3000 W/m² °C [528 Btu/(hr-ft² °F)] para el agua caliente, y 10000 W/m²°C [1761 Btu/(hr-ft² °F)] para el vapor, calculemos los valores de U para ambos procesos de calentamiento.

Tanque enchaquetado de acero al carbono – Comparación de fuentes de calor; agua caliente vs vapor

Agua caliente:

Vapor:

En este caso, el vapor provee una mejora del 17% sobre el valor de U calculado

Ahora, imagine que la misma pared de transferencia del tanque también está revestida con vidrio de un espesor de 1 mm [0.0033 ft] (λ = 0.9 W/(m °C) [0.52 Btu/(hr-ft °F)]). Incluyendo estos valores en la ecuación del valor de U de arriba, se obtienen los siguientes resultados:

Tanque enchaquetado con forro de vidrio – Comparación de fuentes de calor; agua caliente vs vapor

Agua caliente:

Vapor:

En este caso con una resistencia adicional a la conductividad, el valor U es mejorado todavía, pero solo un 9%; y esto demuestra cómo un conductor térmico pobre como el vidrio puede interferir en gran medida en la transferencia de calor.

Entonces, para ciertos equipos de intercambio de calor como tanques enchaquetados de acero al carbono, cambiando la fuente de calor de agua caliente hacia vapor, puede mejorar potencialmente el valor de U y significativamente la transferencia de calor si el material de la pared es altamente conductivo. Sin embargo, no se espera el mismo efecto dramático en casos donde se usa un intercambiador de calor con varias capas de pared, incluyendo capas de material que no son altamente conductivas (como tanques revestidos de vidrio).

No obstante, algunos procesos pueden requerir determinado material de pared, como revestimiento de vidrio, para prevenir la reactividad con el producto. Aún así, la tasa de transferencia de calor puede ser mejorada, incluso en estos casos, cambiando la fuente de calor de agua caliente a vapor, para optimizar la producción.

Incrustaciones (fouling)

Las incrustaciones en la superficie de la pared del material puede representar una barrera adicional a la transferencia de calor. Este problema puede ocurrir por múltiples razones, tanto del lado del medio de calentamiento como del lado del producto. Algunas causas pueden ser depósitos de partículas del lado del calentamiento y temperaturas excesivamente altas o bajas del lado del producto.

Por ejemplo, la presión del vapor a veces es aumentada para crear la presión necesaria para empujar el condensado a través de la válvula de control de salida en un recipiente nivelador. Sin embargo, con un aumento de la presión dentro del intercambiador de calor, la temperatura del vapor aumenta como consecuencia, y este calor excesivo puede causar un aumento de incrustaciones del lado del producto. Inversamente, si se permite acumular el condensado dentro del equipo, las incrustaciones puede causarse del lado del calentamiento por los residuos ingresados en el condensado acumulado, y del lado del producto por bajas temperaturas que causan que el producto se endurezca sobre la superficie cuando la viscosidad requerida del producto no se mantiene.

Las incrustaciones pueden agregarse a la ecuación de arriba, incluyendo la proporción de su espesor (L_F) sobre su conductividad (λ_F), de la misma manera que se agregó el revestimiento de vidrio arriba, pero típicamente se incorpora y expresa como un factor de incrustación (fouling factor) para un intercambiador que ha estado "en servicio". Comúnmente, los cálculos para comparar la reducción en U son entre aquellos "limpios" y "en servicio".