Un intercambiador de calor es un dispositivo que transfiere el calor de un medio a otro. El calor se transfiere por conducción a través de los materiales intercambiadores que separan los medios utilizados. El medio a través del cual se produce este intercambio de calor es el que determina los distintos tipos de intercambiadores de calor que podemos encontrar.
Por su aplicación, los intercambiadores de calor pueden agruparse en las siguientes categorías básicas:
- Fluido térmico/otros
- Fluido térmico/aceite vegetal
- Fluido térmico/vapor
- Fluido térmico/aire
- Fluido térmico/agua (con acumulador)
La aplicación principal de los intercambiadores de calor es calentar fluidos. Los diseños son múltiples, así como lo son los productos a calentar. Se deben diseñar y fabricar para satisfacer los requerimientos particulares de cada caso y proceso.
Especificaciones
Características técnicas principales
- Presión máxima admisible: 50 bar
- Presión de prueba: 80 bar
- Presión máxima de servicio: 40 bar
- Temperatura de servicio: hasta 340 ºC
- Temperatura de diseño: 350 ºC
- Código de diseño: ASME VIII Div. 1, EN 13445, AD2000, …
Funcionamiento de los intercambiadores de calor
El fluido primario suele ser aceite térmico (o vapor) que proviene de una caldera. El fluido secundario es diverso, pudiendo encontrarse tanto en estado líquido como gaseoso. Habitualmente el sistema utilizado es el de tubo en U y carcasa. La disposición de los fluidos primario y secundario por los tubos o la carcasa, y viceversa, dependerán de cada caso.
Un sobredimensionamiento de la superficie de calentamiento, factor de ensuciamiento y otros, garantizan el servicio adecuado incluso en las condiciones más desfavorables.
En ocasiones son recomendables las aletas para incrementar la superficie de calentamiento, o los compensadores de dilatación para minimizar los efectos de dilatación por diferencias de temperatura elevadas.
Para los procesos sometidos a eventuales ensuciamientos en los tubos y en los que se requiere una limpieza periódica. En esta el haz tubular interior puede ser fácilmente aislado de forma completa, tanto por la parte frontal como dorsal, para conseguir una limpieza total, química y mecánica del interior de los tubos.
Tipos de intercambiadores de calor
La clasificación de intercambiadores de calor a manera general se concentra en los siguientes aspectos:
- Sistema acoplado: Recuperador o regenerativo.
- Proceso de transferencia: Contacto directo o indirecto.
- Geometría de construcción: Tubular, placas o superficies extendidas.
- Arreglo de flujo: Paralelo, contracorriente o cruzado.
- Número de pasos: Uno o múltiples pasos. Pese a ello, en la figura se detalla clasificación en función de la geometría de construcción
Existe una gran diversidad de intercambiadores de calor, pero las grandes tipologías en las que pueden ser clasificados son las siguientes:
Intercambiador de calor de carcasa y tubo:
Los intercambiadores de calor de carcasa y tubo están formados por un gran número de tubos pequeños situados en el interior de una carcasa cilíndrica. Los tubos se colocan en el cilindro usando un haz de tubos que puede tener placas de tubo permanentemente fijadas al cuerpo, o una pila de tubos flotantes que permite que el haz de tubos se expanda y contraiga según las condiciones de calor. La pila de tubos puede ser fácilmente extraída para su limpieza y mantenimiento.
Intercambiador de calor de placas
Los intercambiadores de calor de placas operan de la misma forma que los intercambiadores de tubo, aunque utilizan una serie de placas apiladas en lugar de tubos. Estos tipos de intercambiadores se construyen de forma compacta con acero inoxidable, lo cual los convierte en una solución ideal para su uso con refrigerantes, así como en el procesamiento de alimentos y bebidas.
Tabla 1.5. Comparación entre intercambiadores de calor
¿Cómo se diseña un intercambiador de calor?
Para poder seleccionar un intercambiador de calor mínimamente ajustado a las necesidades de cada cliente, es necesario disponer de la siguiente información:
- El tipo de fluido del circuito primario, la temperatura y el caudal (generalmente el fluido caliente)
- Qué se quiere obtener del circuito primario (disipación de calor o una temperatura de salida objetivo)
- Tipo de fluido del circuito secundario, temperatura y caudal (generalmente el refrigerante)
A partir de estos datos, se realiza una primera propuesta que se va personalizando según las indicaciones del cliente y las necesidades del proyecto.
Ecuación general de diseño
El flujo de calor transferido entre los fluidos caliente y frío al pasar a través de un intercambiador puede expresarse bajo una ecuación de diseño análoga a la Ley del enfriamiento de Newton como se muestra a continuación:
Donde 𝑈𝐷 representa el coeficiente global de transferencia de calor, el cual se considera constante a lo largo del intercambiador de calor y toma en cuenta la contribución de los efectos anteriormente mencionados, por lo cual puede obtenerse a partir de la siguiente expresión:
Donde ℎℎ y ℎ𝑐 son los coeficientes de convección del fluido caliente y frío respectivamente, mientras que 𝑡corresponde al espesor de la tubería o placa de cierta conductividad térmica 𝑘 según el material, 𝑅𝑓,ℎ y 𝑅𝑓,𝑐corresponden al factor de incrustación de cada fluido, los cuales actúan como una resistencia térmica durante su transporte, este elemento depende principalmente de la temperatura de operación, la velocidad del fluido y prácticamente de la duración del servicio.
Para el caso de𝐴𝑇 indica el área total del equipo con base a las dimensiones del mismo, mientras que𝛥𝑇𝑚𝑙 se relaciona con una diferencia de la temperatura media logarítmica entre los fluidos dentro del intercambiador, como motivo de su variación real en virtud de su posición a lo largo del equipo, expresada de la siguiente manera:
Donde 𝛥𝑇1y 𝛥𝑇2 representa la diferencia de temperaturas entre los extremos del equipo con base en el arreglo utilizado y perfil de temperatura como se muestra en la figura
al existir un flujo en sentidos opuestos la transferencia de calor se lleva de mejor manera, y puede darse la posibilidad de que el fluido frío supere la temperatura del fluido caliente a la salida, generando qué la 𝛥𝑇𝑚𝑙 sea mayor, implicando una menor área y lográndose con esto un equipo de menor tamaño, por consiguiente, esta es la razón esencial de usar una configuración a contracorriente
¿Con qué fluidos puede operar un intercambiador de calor?
La selección de un fluido para un intercambiador de calor depende directamente del tipo de intercambiador de calor que se esté utilizando y de los materiales disponibles.
Los fluidos habituales, son el aceite, agua, el agua, o el glicol. Para fluidos de carácter más corrosivo, como agua salada clorada, refrigerantes y ácidos, se requiere construir el intercambiador de calor con otros materiales como el acero inoxidable o el titanio.
Intercambiadores de calor más eficientes
Existen una serie de parámetros que normalmente son los que se utilizan para medir el rendimiento y la eficiencia de un intercambiador de calor:
Diferencia de temperatura:
La diferencia de temperatura entre el fluido caliente y el refrigerante es muy importante al diseñar un intercambiador de calor. El refrigerante siempre necesita estar a una temperatura considerablemente más baja que el líquido caliente. Cuánto más bajas sean las temperaturas del líquido refrigerante, más calor sacarán del líquido caliente.
Caudal
Otro factor importante es el flujo de los fluidos tanto en el lado primario como en el lado secundario del intercambiador de calor. Un caudal mayor aumentará la capacidad del intercambiador para transferir el calor, pero también significará una mayor masa, lo que puede hacer más difícil la eliminación de la energía, así como una mayor velocidad y pérdida de presión.
Instalación
Habitualmente, la forma más eficiente de instalar un intercambiador de calor es haciendo que los fluidos circulen en una disposición de contracorriente, es decir, si el refrigerante se desplaza de izquierda a derecha, el fluido caliente se desplaza de derecha a izquierda. En los intercambiadores de calor de carcasa y tubo el refrigerante debe entrar en la posición de entrada más baja para asegurar que el intercambiador de calor esté siempre lleno de agua. Para los intercambiadores de calor refrigerados por aire, es importante tener en cuenta el flujo de aire al instalar un enfriador, ya que cualquier parte del núcleo que esté bloqueada comprometerá la capacidad de enfriamiento.
Consejos para el mantenimiento de un intercambiador de calor
Los intercambiadores de calor están fabricados con materiales robustos, no tienen partes móviles y funcionan a una variedad de diferentes presiones y temperaturas, por lo tanto, si un intercambiador de calor se utiliza de la manera correcta, entonces no hay razón por la cual no debería ser capaz de permanecer operativa para muchos años. Para ayudar a aumentar la vida operativa de un intercambiador de calor hay varios pasos que deben tomarse;
Asegúrese de que los datos de diseño son precisos. Si envía datos a nuestros ingenieros para la selección de intercambiadores de calor, es mejor asegurarse de que sea lo más preciso posible. Esto no sólo asegurará que su intercambiador de calor es térmicamente eficiente, sino también que será capaz de operar durante un largo período de tiempo. Si los caudales son demasiado altos, la erosión podría ser un problema, si las presiones son demasiado altas, entonces podrían ocurrir fugas y si hay algún producto químico inusual en los fluidos (por ejemplo, ácidos en el agua del refrigerante), póngase en contacto con nosotros para comprobar la compatibilidad. Si nuestros materiales estándares no son convenientes entonces podemos suministrar generalmente una alternativa que sea.