Estudio de los coeficientes de transmisión de calor en intercambiador de placas con y sin cambio de fase

Abstract

El trabajo que se presenta a continuación realiza un análisis detallado de los coeficientes de transmisión de calor en los intercambiadores de placas. Se trata de un tema complejo, puesto que actualmente no existe ninguna teoría general que permita predecir el valor de estos coeficientes en estos dispositivos en cualquier circunstancia. Por ello, es necesario analizar en profundidad cada una de las partes que conforman este proyecto con el fin de poder obtener una visión general mucho más correcta de este tema. De este modo, se podrán obtener una serie de conclusiones que puedan aplicarse al ámbito de la refrigeración industrial. El primer punto que se expone en este trabajo es una explicación detallada acerca de qué son y cómo funcionan los intercambiadores de placas. Estos dispositivos son unos intercambiadores de calor muy extendidos actualmente para procesos de refrigeración debido a las enormes ventajas que se consiguen con su uso, entre las que destacan la consecución de elevados coeficientes de transmisión de calor y la compacidad de los equipos, ya que requieren menos área de intercambio térmico. Además, los intercambiadores de placas no son un modelo único. Existen ciertas variaciones que modifican en gran medida la forma de utilización y el funcionamiento de los equipos, por lo que es necesario explicar las diferencias y semejanzas entre todos ellos. Este trabajo solo se va a centrar en un intercambiador de placas determinado, el cual se caracteriza por presentar las placas que lo conforman soldadas entre sí. Debido a la utilización de un solo tipo de cambiador, es esencial entrar en profundidad acerca su geometría. Esto se debe a que la geometría del intercambiador es un parámetro fundamental que influye enormemente en los valores de los coeficientes de transmisión de calor, por lo que, dependiendo de cuál se use, se obtendrán diferentes valores de coeficientes. El siguiente punto fundamental acerca de este trabajo son los coeficientes de transmisión de calor. Se trata de unos coeficientes que permiten calcular el calor intercambiado en una superficie debido al mecanismo de convección. Poder prever de antemano cuáles son los valores de estos coeficientes en procesos de refrigeración es de vital importancia para numerosas situaciones, como poder anticipar la temperatura de salida del fluido refrigerado o determinar que intercambiador es el adecuado para cierto proceso. No obstante, como ya se ha adelantado en el primer párrafo de este apartado, actualmente existe un problema sobre cómo determinar estos coeficientes en este tipo de intercambiadores: la inexistencia de una teoría que permita calcular estos coeficientes en cualquier circunstancia del proceso. Como consecuencia, existen numerosos estudios que presentan correlaciones para calcular estos números. Sin embargo, existe un problema con estas correlaciones: en general, los resultados solo se ajustan a la realidad cuando el intercambio de calor se produce bajo las mismas condiciones con las que se hizo el experimento que permitió determinar estas ecuaciones. Por tanto, si se modifican aspectos como el tipo de intercambiador de calor o el refrigerante, la correlación ya no es válida. Muchos de estos estudios son los que han servido de base para la realización de este proyecto. Puesto que el mecanismo de transmisión de calor difiere mucho cuando el refrigerante cambia o no de fase (y si cambia, también es muy distinto a si se evapora o se condensa), los estudios se dividen en tres categorías: evaporación, condensación y flujo de una sola fase. Cada una de ellas presenta sus propias peculiaridades, por lo que es esencial realizar esta distinción. En cada uno de estos mecanismos de intercambio de calor, se van a presentar las diferentes correlaciones. En primer lugar, cada una de ellas se va a estudiar independientemente. Después, con la ayuda del programa informático Engineering Equation Solver, se realizará una validación de estas. Tras comprobar que los resultados teóricos concuerdan con los experimentales, se van a comparar en un mismo gráfico los valores ofrecidos por las diferentes correlaciones. De esta forma, se podrán observar las diferencias y similitudes de las distintas correlaciones. La gran mayoría de las correlaciones estudiadas en este informe fueron presentadas a principios de este siglo. Esto se debe a que, en ese momento, se produjo una revolución importante en el campo de la refrigeración. En 1987, se firmó el Protocolo de Montreal, el cual prohibía el uso y comercialización de los clorofluorocarbonos (CFCs) e hidroclorofluorocarbonos (HCFCs) por su contribución a la destrucción de la capa de ozono, los cuales habían sido los refrigerantes predominantes en la industria hasta ese instante. Esto supuso la introducción de refrigerantes como el R-134a y el R-410A en la industria, convirtiéndose en los protagonistas indiscutibles en la primera década del siglo XXI. Estos refrigerantes son introducidos en este trabajo como los refrigerantes del presente, puesto que aún hoy en día, siguen siendo grandes protagonistas en la industria. Por ello, se explicarán las características más reseñables de cada uno de ellos, al igual que sus ámbitos de aplicación. Sin embargo, existe un problema con estos refrigerantes: son dos de los principales causantes del calentamiento global del planeta. Además, debido a la firma del Protocolo de Kioto en 1997, y, especialmente, a la entrada en vigor en 2014 de la normativa Europea F-gas, estos compuestos están destinados a desaparecer. Por tanto, es necesario encontrar nuevos refrigerantes sustitutivos que cumplan con los requisitos medioambientales. Actualmente, no existe un único refrigerante sustituto para cada uno de los refrigerantes actuales. Todavía se siguen barajando numerosas posibilidades, pues muchos de ellos presentan importantes inconvenientes, como alta inflamabilidad o toxicidad o la incompatibilidad a la hora de reemplazar estos refrigerantes en las antiguas instalaciones. Además, existe otro problema importante. Como se ha explicado, las correlaciones presentadas hasta ahora solo son válidas cuando se recrean las condiciones originales del estudio experimental. Por ello, en este trabajo, se van a utilizar las correlaciones que se han estado usando hasta ahora para calcular los coeficientes de transmisión de calor. De esta manera, se podrá observar si las correlaciones actuales pueden servir para los refrigerantes del futuro o es necesario realizar nuevos estudios con nuevas correlaciones.