El coeficiente global de transferencia de calor, o valor U, se refiere a lo bien que se conduce el calor a través de una serie de medios resistentes. Sus unidades son los W/(m2°C) .

Vapor vs. Agua caliente

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

El coeficiente global de transferencia de calor está influenciado por el espesor y la conductividad térmica de los medios a través de los cuales se transfiere el calor. Cuanto mayor sea el coeficiente, más fácilmente se transfiere el calor desde su fuente hasta el producto que se calienta. En un intercambiador de calor, la relación entre el coeficiente global de transferencia de calor (U) y la tasa de transferencia de calor (Q) puede demostrarse mediante la siguiente ecuación:

donde

De esta ecuación se desprende que el valor de U es directamente proporcional a Q, la tasa de transferencia de calor. Suponiendo que la superficie de transferencia de calor y la diferencia de temperatura no varían, cuanto mayor sea el valor U, mayor será la tasa de transferencia de calor. En otras palabras, esto significa que para un determinado intercambiador de calor y producto, un valor U más alto podría conducir a tiempos de lote más cortos y a una mayor producción/ingresos.

Calcular el valor U

Se pueden utilizar varias ecuaciones para determinar el valor U, una de ellas es:

donde

Transferencia de calor a través de una pared metálica

En el caso de crear agua caliente, por ejemplo, la transferencia de calor se produce básicamente desde el fluido 1 (fuente de calor) a través de un sólido conductor (pared metálica) hasta el fluido 2 (agua, el producto que se calienta). Sin embargo, también hay que tener en cuenta la resistencia de la película. Por ello, al calcular la transferencia de calor entre un fluido y una pared conductora se incluye el coeficiente de transferencia de calor por convección (h), a veces denominado coeficiente de película.

Además, en ciertas aplicaciones únicas, como el calentamiento de procesos farmacéuticos o biotecnológicos, esa transferencia de calor puede producirse a través de varias capas de material de pared. En tales casos, la ecuación anterior puede adaptarse incorporando el espesor de cada capa del sólido (L) dividido por su conductividad térmica (λ).

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

.

Fluido	Coeficiente de transferencia de calor por convección (h)
Agua	alrededor de 1000 W/(m2 °C)
Agua caliente	1000 – 6000 W/(m2 °C)
Vapor	6000 – 15000 W/(m2 °C)

Ejemplo de comparación del efecto sobre U de diferentes fuentes de calor, vapor o agua caliente

Se utilizan dos calderas con camisa de acero al carbono (λ = 50 W/(m °C) ) con un grosor de pared interior de 15 mm para calentar agua. Uno utiliza agua caliente como fuente de calor, mientras que el otro utiliza vapor. Suponiendo unos coeficientes de transferencia de calor de 1000 W/m2 °C para el agua que se calienta, 3000 W/m2 °C para el agua caliente y 10000 W/m2° C para el vapor, calculemos los valores U para ambos procesos de calentamiento.

Hervidor encamisado de acero al carbono: comparación de la fuente de calor de agua caliente frente a la de vapor

Agua caliente:

Vapor:

En este caso, el vapor proporciona una mejora calculada del valor U del 17%.

Imagine ahora que la misma pared de transferencia de la tetera está también revestida de vidrio de 1 mm de espesor (λ = 0,9 W/(m °C) ). Si se incluyen estos valores en la ecuación del valor U anterior, se obtienen los siguientes resultados:

Hervidor encamisado revestido de vidrio – Comparación del agua caliente frente a la fuente de calor de vapor. Fuente de calor de vapor

Agua caliente:

Vapor:

En este caso de resistencia adicional a la conductividad, el valor U sigue mejorando, pero sólo en un 9%; y esto demuestra cómo un mal conductor térmico como el vidrio puede interferir mucho en la transferencia de calor.

Así que para ciertos equipos de intercambio de calor, como una tetera de acero al carbono, cambiar la fuente de calor de agua caliente a vapor puede mejorar potencialmente el valor U y la transferencia de calor de forma significativa si el material de la pared es altamente conductor. Sin embargo, no se espera el mismo efecto dramático en los casos en los que se utiliza un intercambiador de calor con varias capas de pared que incluyen capas de material que no son altamente conductoras (como un hervidor revestido de vidrio).

Sin embargo, algunos procesos requieren un determinado material de pared, como el revestimiento de vidrio, para evitar la reactividad con el producto. Aun así, la tasa de transferencia de calor puede mejorarse en tales circunstancias cambiando la fuente de calor de agua caliente a vapor para optimizar la producción.

Entendimiento avanzado

Suciedad

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

Por ejemplo, la presión del vapor a veces se eleva para crear la presión necesaria para empujar el condensado a través de la válvula de control de salida en una olla de nivel. Sin embargo, con un aumento de la presión dentro del intercambiador de calor, la temperatura del vapor aumenta en consecuencia, y este calor excesivo puede causar un aumento de la suciedad en el lado del producto. Por el contrario, si se permite que el condensado se acumule dentro del equipo, el ensuciamiento puede ser causado en el lado de la calefacción por los residuos arrastrados en el condensado acumulado, y en el lado del producto por las temperaturas más bajas que hacen que el producto se apelmace en la superficie cuando no se mantiene la viscosidad requerida del producto.

Las incrustaciones pueden añadirse a la ecuación anterior incluyendo la relación de su espesor (LF) sobre su conductividad (λF), de la misma manera que se añadió el revestimiento de vidrio anteriormente, pero normalmente se incorpora y se expresa como un factor de incrustación para un intercambiador que ha estado «en servicio». Comúnmente, los cálculos para comparar la reducción en U son para el servicio limpio versus el servicio en servicio.

Mecanismo de calentamiento del vapor

¿Qué es el vapor en vacío?