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

El trabajo que se presenta a continuacion realiza un analisis detallado de los coeficientes de transmision de calor en los intercambiadores de placas. Se trata de un tema complejo, puesto que actualmente no existe ninguna teoria 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 vision general mucho mas correcta de este tema. De este modo, se podran obtener una serie de conclusiones que puedan aplicarse al ambito de la refrigeracion industrial. El primer punto que se expone en este trabajo es una explicacion detallada acerca de que son y como funcionan los intercambiadores de placas. Estos dispositivos son unos intercambiadores de calor muy extendidos actualmente para procesos de refrigeracion debido a las enormes ventajas que se consiguen con su uso, entre las que destacan la consecucion de elevados coeficientes de transmision de calor y la compacidad de los equipos, ya que requieren menos area de intercambio termico. Ademas, los intercambiadores de placas no son un modelo unico. Existen ciertas variaciones que modifican en gran medida la forma de utilizacion 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 si. Debido a la utilizacion de un solo tipo de cambiador, es esencial entrar en profundidad acerca su geometria. Esto se debe a que la geometria del intercambiador es un parametro fundamental que influye enormemente en los valores de los coeficientes de transmision de calor, por lo que, dependiendo de cual se use, se obtendran diferentes valores de coeficientes. El siguiente punto fundamental acerca de este trabajo son los coeficientes de transmision de calor. Se trata de unos coeficientes que permiten calcular el calor intercambiado en una superficie debido al mecanismo de conveccion. Poder prever de antemano cuales son los valores de estos coeficientes en procesos de refrigeracion 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 parrafo de este apartado, actualmente existe un problema sobre como determinar estos coeficientes en este tipo de intercambiadores: la inexistencia de una teoria que permita calcular estos coeficientes en cualquier circunstancia del proceso. Como consecuencia, existen numerosos estudios que presentan correlaciones para calcular estos numeros. 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 permitio determinar estas ecuaciones. Por tanto, si se modifican aspectos como el tipo de intercambiador de calor o el refrigerante, la correlacion ya no es valida. Muchos de estos estudios son los que han servido de base para la realizacion de este proyecto. Puesto que el mecanismo de transmision de calor difiere mucho cuando el refrigerante cambia o no de fase (y si cambia, tambien es muy distinto a si se evapora o se condensa), los estudios se dividen en tres categorias: evaporacion, condensacion y flujo de una sola fase. Cada una de ellas presenta sus propias peculiaridades, por lo que es esencial realizar esta distincion. 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. Despues, con la ayuda del programa informatico Engineering Equation Solver, se realizara una validacion de estas. Tras comprobar que los resultados teoricos concuerdan con los experimentales, se van a comparar en un mismo grafico los valores ofrecidos por las diferentes correlaciones. De esta forma, se podran observar las diferencias y similitudes de las distintas correlaciones. La gran mayoria 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 revolucion importante en el campo de la refrigeracion. En 1987, se firmo el Protocolo de Montreal, el cual prohibia el uso y comercializacion de los clorofluorocarbonos (CFCs) e hidroclorofluorocarbonos (HCFCs) por su contribucion a la destruccion de la capa de ozono, los cuales habian sido los refrigerantes predominantes en la industria hasta ese instante. Esto supuso la introduccion de refrigerantes como el R-134a y el R-410A en la industria, convirtiendose en los protagonistas indiscutibles en la primera decada del siglo XXI. Estos refrigerantes son introducidos en este trabajo como los refrigerantes del presente, puesto que aun hoy en dia, siguen siendo grandes protagonistas en la industria. Por ello, se explicaran las caracteristicas mas resenables de cada uno de ellos, al igual que sus ambitos de aplicacion. Sin embargo, existe un problema con estos refrigerantes: son dos de los principales causantes del calentamiento global del planeta. Ademas, 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 estan destinados a desaparecer. Por tanto, es necesario encontrar nuevos refrigerantes sustitutivos que cumplan con los requisitos medioambientales. Actualmente, no existe un unico refrigerante sustituto para cada uno de los refrigerantes actuales. Todavia 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. Ademas, existe otro problema importante. Como se ha explicado, las correlaciones presentadas hasta ahora solo son validas 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 transmision de calor. De esta manera, se podra observar si las correlaciones actuales pueden servir para los refrigerantes del futuro o es necesario realizar nuevos estudios con nuevas correlaciones.

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