Guía para plantear proyectos con sistemas de recuperación de energía térmica residual industrial (4ª PARTE)

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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.

Intercambiadores de calor de tubo y carcasa

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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