Ver 3ª PARTE
Intercambiadores de calor
Hay muy
diferentes diseños de intercambiadores de calor y cada uno tiene sus ventajas y
desventajas. Es útil tener un amplio rango disponible para consideración cuando
se está buscando un proceso específico. Discutimos a continuación los
escenarios encontrados en la recaptura de calor residual con dos de los
principales tipos de intercambiadores de calor.
El intercambiador de calor de tubo y carcasa es un dispositivo ampliamente usado para intercambio líquido a líquido. Si se requiere puede ocurrir intercambio de fase en el intercambiador de calor.
La parte exterior
del intercambiador de calor es la carcasa. Esta sección del intercambiador de
calor se diseña para permitir que el fluido de trabajo fluya hacia el exterior
de los tubos. Con la adición de deflectores en el interior de la carcasa, el
fluido puede ser forzado a hacer circular las tuberías numerosas veces antes de
salir del intercambiador. Esto incrementa la exposición forzada a la superficie
de los tubos y así se incrementa la cantidad de energía transferida de un
fluido a otro.
La segunda
parte de la construcción es la sección del tubo. Usualmente múltiples tuberías
de pared delgada se combinan para formar el tubo, lo cual permite un incremento
en el área de superficie disponible para intercambio térmico con el líquido
fluyendo a través del lado de la carcasa del intercambiador de calor.
Cuando puede
depositarse suciedad por cualquiera de los fluidos de trabajo, esto debe
tomarse en consideración. Si puede generarse suciedad es más fácil situarla en
los tubos que en la carcasa porque es más fácil quitarla.
Intercambiadores de calor compactos
Una segunda
área de la tecnología de intercambiador de calor es el intercambiador de calor
compacto. Son esencialmente intercambiadores de calor de alta densidad que
tienen propiedades de grandes superficies en un volumen total relativamente
pequeño.
Un radiador
de coche por ejemplo tiene un área de superficie grande que permite obtener el
calor del fluido primario, ej. el refrigerante del motor. Este fluido
secundario se fuerza sobre el radiador por numerosos métodos. Pasivamente por
la admisión de aire a través del frente del vehículo cuando está en movimiento
y activamente por ventiladores mecánicos para estar seguros que el aire
consistentemente está fluyendo para extraer calor, en último término desde el
bloque motor.
Otra
implementación común de un intercambiador de calor compacto es el
intercambiador de calor de flujo cruzado. Aquí dos fluidos fluyen en ángulos
correctos a través del intercambiador, con los fluidos físicamente aislado uno
de otro.
El análisis
y diseño de un intercambiador de flujo cruzado puede ser complejo, con
diseñadores que inicialmente tratan con dos gradientes de temperatura en
ángulos correctos entre sí.
Una
complicación adicional en los intercambiadores de calor de flujo cruzado es la
trayectoria que cada fluido puede tomar. Los intercambiadores de calor de flujo
cruzado pueden tener el fluido de trabajo mezclándose o sin mezclar a través
del intercambiador de calor. La situación de mezcla es aquella en la que el
líquido está abierto a través de la superficie. Mientras que los fluidos sin
mezclar fluyen en trayectorias discretas a través del intercambiador de calor.
Los
problemas potenciales con el intercambiador de calor de flujo cruzado incluyen
el tamaño y capacidad que está disponible. Los intercambiadores de calor de
tubo y carcasa pueden ser escalados a tamaños más grandes donde los
intercambiadores de calor compacto han sido empleados en aplicaciones donde el
espacio es importante.
Intercambiador de calor gas – gas
Para
situaciones de intercambio de calor gas a gas, los recuperadores, calderas de
calor de los residuos y regeneradores son métodos de intercambio de calor
típico con aplicaciones prácticas.
Un
recuperador es un intercambiador de calor en el que hay una separación física
entre dos gases. Así los dos gases no entran en contacto directo entre sí. La
energía térmica se transfiere por conducción desde el fluido primario a través
de las paredes al fluido secundario en el intercambiador.
Un segundo
ejemplo de intercambiador gas a gas es una caldera de calor residual, que es
por definición un recuperador. Esta caldera se usa para elevar agua a vapor,
que puede luego hacer funcionar una turbina para generación eléctrica o ser
usada en el ciclo de absorción para propósitos de enfriamiento.
Alternativamente
un regenerador actúa como un dispositivo de almacenamiento térmico. La energía
térmica se almacena, usualmente en un sólido y la energía está luego disponible
para transferir ya sea a un gas secundario o el mismo gas una vez trabaja se
lleva por el gas a otra parte de este ciclo.
Un ejemplo
de uso de regenerador, se ve en el ciclo de Stirling. Este ciclo requiere
almacenamiento térmico a corto plazo para operar y el regenerador proporciona
este proceso necesario.
Intercambio de calor gas – líquido
Un ejemplo
de intercambiador de calor gas a líquido en una disposición industrial es un
economizador en una central térmica. El economizador se usa por ejemplo, en el
pre-calentamiento del agua de alimentación que entra a la caldera. Esto incrementa
la eficiencia térmica del proceso de elevación de vapor ya que se requiere
menos energía para calentar el agua de alimentación precalentada.
Intercambio de calor líquido – líquido
Un
intercambiador de calor líquido a líquido proporcionará aislamiento entre dos
fluidos de trabajo. Por ejemplo, para proporcionar un punto de demarcación
entre un suministrador de calor residual en forma de líquido y un consumidor de
calor residual.
Las
soluciones del intercambiador de calor también caen en esta categoría cuando
dos líquidos no pueden mezclarse directamente para intercambio térmico, ya que
puede ser peligroso o imposible separarlos de nuevo.
Intercambio de calor líquido – gas
Una
situación de intercambio de calor final será transferir energía de un líquido a
un gas. Esto puede ser útil para un proceso de ciclo de Rankine orgánico donde
un líquido caliente idealmente calentaría el gas (típicamente un gas de
refrigerante), para hacer funcionar por ejemplo un turbogenerador.
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