22 agosto 2011

El diseño de intercambiadores de calor en detalle (1ª parte)



Iniciamos una nueva serie de artículos dedicados al diseño eficiente de equipos industriales y en esta ocasión nos centramos en los intercambiadores de calor. En primer lugar indicamos que estos equipos ya han sido tratados en otras ocasiones en Todoproductividad.

¿Qué es un intercambiador de calor?

Un intercambiador de calor es un dispositivo para transferir energía térmica (entalpía) entre dos o más fluidos, entre una superficie sólida y un fluido, o entre partículas sólidas y un fluido a diferentes temperaturas y en contacto térmico sin calor externo e interacciones de trabajo. Los fluidos pueden ser compuestos simples o mezclas.  Aplicaciones típicas implican calentamiento o enfriamiento de un chorro de un fluido, evaporación o condensación de un chorro de fluidos multi-componentes. En otras aplicaciones, el objetivo puede ser calentar, enfriar, condensar, vaporizar, esterilizar, pasteurizar, fraccionar, destilar, concentrar, cristalizar, o controlar fluidos. En algunos intercambiadores el calor se transfiere por contacto directo. En otros intercambiadores el calor se transfiere a través de paredes separadoras. En la mayoría de los intercambiadores de calor, los fluidos están separados por una superficie de transferencia de calor, e idealmente no se mezclan. Tales intercambiadores se denominan de tipo de transferencia directa o recuperadores. En contraste, los intercambiadores en los que hay un flujo intermitente de calor del fluido caliente al frío son de tipo de transferencia indirecta o intercambiadores de almacenaje, o simplemente regeneradores.

¿En qué consiste un intercambiador de calor?

Un intercambiador de calor consiste en elementos de intercambio, tales como un núcleo o matriz que tiene una superficie de transferencia de calor, y elementos de distribución de fluidos tales como cabezales, colectores, depósitos, admisión, y toberas o tuberías de salida, o sellos. Usualmente no hay partes móviles en un intercambiador de calor; sin embargo, hay excepciones tales como los regeneradores rotatorios, en el que la matriz se acciona mecánicamente para rotar a la velocidad de diseño.
La superficie de transferencia de calor es una superficie del núcleo del intercambiador que está en contacto con los fluidos y a través de la cual se transfiere por conducción a un recuperador, y por almacenamiento y rechazo de calor en un regenerador.
Los intercambiadores de calor sirven para un propósito: controlar la temperatura de una sustancia añadiendo o quitando energía térmica. Aunque hay muy diferentes tamaños, niveles de sofisticación, y tipos de intercambiadores de calor, todos usan un elemento térmico conductor – usualmente en forma de tubo o placa – para separar dos fluidos, tales que uno puede transferir energía térmica a otro. Los calentadores domésticos usan el calor del gas de la combustión para el aire o agua. Las plantas de potencia usan agua localmente o aire ambiental en intercambiadores de calor bastante grandes para condensar el vapor de las turbinas. Muchas aplicaciones industriales usan pequeños intercambiadores de calor para establecer o mantener una temperatura requerida.
Cuando deseamos usar un intercambiador de calor nos enfrentamos a un desafío fundamental: definir completamente el problema que va a resolverse, lo cual requiere una comprensión de las propiedades termodinámicas y transporte del fluido.
La forma como se transfiere el calor de un fluido a otro depende en gran medida de las características físicas del fluido implicado, especialmente su densidad, calor específico, y viscosidad dinámica.

Superficie de intercambio

La densidad de área,  β, es el ratio de área de transferencia de calor A respecto a su volumen. Un intercambiador de calor compacto es aquel en el que β tiene un área de 700 m2/m3 o mayor. Pueden alcanzar una eficiencia térmica  superior a los de tubo y carcasa (95 % vs. 60 – 80 %).

Efectividad del intercambiador

La efectividad del intercambiador se define como el ratio de la caída de temperatura total del chorro más débil respecto a la diferencia máxima de temperatura posible entre las temperaturas de entrada del fluido. Las siguientes asunciones se hacen comúnmente para deducir la efectividad térmica.
1.     El coeficiente de transferencia de calor es constante a través del intercambiador.
2.     Cada paso tiene la misma área de transferencia de calor; esto es, las disposiciones de paso no asimétrico no se consideran.
3.     No hay cambio de fase.
4.     El calor específico de cada fluido es constante e independiente de temperatura.
5.     El caudal de ambos chorros es estacionario.
6.      El caudal de ambos fluidos está uniformemente distribuido tanto en el área de transferencia local como total.
7.      Las pérdidas de calor del sistema son despreciables.

INTERCAMBIADORES DE CALOR DE PLACAS

Están disponibles una gran variedad de modelos de placas corrugadas o en relieve. El objetivo básico de la corrugación en las placas es impartir altas turbulencias a los fluidos, lo cual origina un coeficiente de transmisión de calor muy alto comparado con los obtenidos para un intercambiador de calor de tubo y carcasa para deberes similares. Estos modelos en relieve también dan como consecuencia un área de superficie efectiva incrementada y proporcionan resistencia adicional a las placas por medio de muchos puntos de contacto sobre las placas para resistir la presión diferencial que existe entre placas adyacentes. Pueden usarse placas con espesor tan bajo como 0,6 mm para presiones de trabajo tan altas como 230 psig.
En el mundo existen unos 60 modelos diferentes de placas para intercambiador, siendo normalmente el modelo y geometría tecnologías patentadas.

Materiales

Los materials convenientes para el estampado en frío y resistentes a la corrosión son convenientes para las placas del intercambiador de calor: Stainless steel AISI 304, Incoloy 825, Stainless steel, AISI 316, Monel400, Avesta SMO 254,  Hastelloy B, Titanium, titanium-0.2% Hastelloy C-276, palladium stabilized,  Aluminum brass 76/122/2, Tantalum, Cupronickel (70/30), Inconel 600,  Cupronickel (90110), Inconel 625 y  Diabon F 100.

Donde usar intercambiadores de calor de placas

Los intercambiadores de calor de placas son especialmente convenientes para trabajar con líquido – líquido en flujo turbulento.
No se recomiendan en los siguientes servicios:
·         Aplicaciones gas a gas.
·         Fluidos con muy alta viscosidad pueden originar problemas de distribución del caudal.
·         Menos conveniente para vapores que condensan el vacío.
Ver 2ª PARTE
Publicar un comentario en la entrada