¿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
Los intercambiadores de calor son imprescindibles en cualquier instalación para la transmisión de energía calorífica entre los fluidos.
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