Aplicaciones De Intercambiadores De placas En Refrigeración

Aplicaciones De Intercambiadores De placas En Refrigeración 

Los intercambiadores de placas convencionales de juntas de goma han sido y siguen siendo utilizados en refrigeración. En general las limitaciones de temperatura y presión quizás son los factores que determinan el campo de aplicación de este tipo de intercambiadores. También es posible que las juntas de goma puedan sufrir dilataciones, incorporando el fluido a las cadenas poliméricas por fenómenos de difusión lo que provoca pérdidas de fluido y afecta a la seguridad de la instalación. Los choques térmicos por continuas paradas también provocan problemas, e incluso los fluidos pueden alterar la estructura química de las juntas. El uso de los intercambiadores de placas convencionales han llevado asociado el riesgo de fugas debido a los problemas de sellado de los canales. Si bien en un pasado estos intercambiadores no eran demasiado utilizados en la industria debido a estos problemas de seguridad, el intento de reducir las cargas de refrigerante han provocado un mayor interés en este tipo de intercambiadores. Hoy en día, los intercambiadores de placas con juntas de elastómeros se suelen utilizar cuando las cargas térmicas a disipar son variables y se necesita variar el área de intercambio, o cuando se utilizan fluidos sucios o propensos a crear problemas de corrosión, pues esta configuración ayuda al limpiado. En cualquier otro caso los intercambiadores de placas utilizados son intercambiadores de placas termosoldadas. 

En los años 70 Alfa laval desarrolló el primer prototipo de intercambiadores de placas conplacas termosoldadas. Los intercambiadores de placas con placas termosoldadas sustituyen las juntas de sellado de los intercambiadores por medio de un metal con un punto de fusión inferior al punto de fusión del acero inoxidable. En la Figura 2.2 se muestra la configuración de las placas termosoldadas. Entre cada una de las placas se inserta una hoja de cobre (o níkel en el caso de que exista incompatibilidad con el fluido de trabajo como en el caso de amoniaco), y con la ayuda de una prensa hidráulica se apila el número de placas deseado. Una vez prensado, el conjunto de placas se coloca en un horno de vacío y se calienta el conjunto hasta el punto de fusión del material de aporte (cobre o níkel). Por fenómenos de capilaridad, el material de aporte se funde y tiende a acumularse en los bordes y en los puntos de contacto de las placas formando de manera eficaz un sellado de los canales. Esta configuración permite operar a los intercambiadores de placas termosoldadas en rangos de temperaturas entes -160°C y 150 ºC y presiones de hasta 30 o 40 bares, muy por encima de los intercambiadores de placas convencionales.

Geometría del intercambiador de placas

Pese a que el tipo de corrugación de este tipo de intercambiadores puede ser casi cualquiera, el patrón de la corrugación típico de estos intercambiadores es de corrugado tipo chevron. El patrón de las corrugaciones es de tipo sinusoidal, donde las corrugaciones están orientadas con un determinado ángulo con respecto a la dirección principal de flujo. Esta corrugación proporciona varios puntos de contacto entre las placas adyacentes, mejorando el mezclado de las corrientes y aumentando la turbulencia. Para el intercambiador de placas ensayado en este trabajo un intercambiador de placas NB51, fabricado por Alfa Laval, las dimensiones geométricas se muestran en la Figura 2.3.

Los parámetros de mayor importancia a la hora de caracterizar este tipo de intercambiadores son el ángulo de la corrugación (ángulo de chevron), y la profundidad de la corrugación. El primer parámetro caracteriza la mejora de la turbulencia en el intercambiador (y por tanto la transferencia de calor y las pérdidas de carga), y el segundo parámetro caracteriza el diámetro hidráulico del intercambiador. Otros factores que se tienen en cuenta a la hora de caracterizar los intercambiadores son el factor de aumento del área de intercambio y el pitch. El factor de aumento del área de intercambio es el cociente del área de intercambio real, frente a la proyección del área en un plano paralelo al de la placa. La profundidad de la corrugación y la separación entre corrugaciones (pitch) definen este factor de aumento.

El diseño de intercambiadores de placas permite casi un número infinito de combinaciones de parámetros geométricos para el patrón de las placas, diseño de los puertos, pasajes de los canales, aunque por simplicidad se muestran los más comunes.
Normalmente todas las placas de un mismo intercambiador tienen un patrón idéntico, pero alternativamente se rotan 180º de forma que el patrón de dos placas adyacentes apunta a sentidos diferentes. De esta manera se forman una estructura interior en forma de celda de abeja, donde cada celda se encuentra delimitada por los puntos de contacto de las placas. En la Figura 2.4 se muestra una sección de un intercambiador comercial tipo CB14 de la firma Alfa Laval.

La geometría de cada celda en la estructura se determina por la forma y tamaño de las corrugaciones. La corrugación es usualmente cercana a la sinusoidal, y se describe por los siguientes parámetros:

•  El ángulo chevron ϕ, ó β.
• La profundidad media de la placa . b
•  La separación entre corrugacionesΛ.
• El radio de curvatura de las corrugacionesR.

La mayoría de intercambiadores de placas del mercado tienen las mismas configuraciones, mientras que los ángulos de las corrugaciones dependen de la aplicación. Las dimensiones típicas de estos parámetros se muestran en la Tabla 2.1.

 

 

Considerando el conjunto del intercambiador, los parámetros más importantes necesarios para definir el intercambiador de calor son la distancia vertical entre los puertos de entrada y de salida, y la cantidad de placas.

Características hidrodinámicas del intercambiador de placas

 Existen dos formas de establecer el diámetro hidráulico de los intercambiadores de placas. Probablemente el más usado sea el que se obtiene como el doble de la distancia de separación entre placas. Eq.(2.1).

Siendo b la separación entre placas.
La otra definición probablemente más correcta sea la que se define a partir de la definición de el diámetro hidráulico. Eq.(2.2).
 

 Como en la mayoría de documentación encontrada se suele utilizar la definición de la Eq. (2.1), se utilizará esta ecuación para la definición de los siguientes parámetros. De esta forma se define el número de Reynolds como Eq.(2.3).

 Para el número de Nusselt y considerando lo anteriormente dicho para la salida tenemos Eq. (2.4).

 Debido al ángulo de la corrugación el patrón de flujos se vuelve complejo. El patrón de flujos promueve una rápida transición a flujo turbulento con un flujo en torbellino secundario. Este flujo provoca unos coeficientes de transferencia de calor grandes y altas perdidas de presión.

 (Dovic, Palm et al. 2000) hicieron un estudio visual de las características del flujo en intercambiadores de placas en flujo en simple fase. Para hacer este estudio, inyectaban tinta en diversas localizaciones del intercambiador de placas. Según las apreciaciones de estos autores existen dos componentes de la velocidad del flujo, una longitudinal y otra entre surcos de las placas, que dependen del ángulo de corrugación chevron ( óϕβ según se prefiera), el número de Reynolds y la relación entre la profundidad de las corrugaciones, y la relación entre la profundidad de las corrugaciones y la separación de las corrugaciones (ó pitch) ()b()bΛ. Para el ángulo de corrugación más horizontal ()39ºβ= a partir de Re=60 la tinta tendía a mezclarse totalmente. Sin embargo, estos autores también mostraron como para el caso de ángulos de corrugación más verticales ()72ºβ= la componente transversal del flujo tendía a tener más importancia, y el mezclado de los flujos es menor. El flujo en este caso cambia de dirección en alguna de las celdas provocando un menor mezclado hasta números de Reynolds de 250.

Otro de los parámetros que genera confusión es la definición de los factores de fricción, pues debe de considerarse una nueva dimensión que es la longitud del flujo. También en este caso se definen dos parámetros, uno es la longitud desarrollada y otra la longitud entre los puertos de entrada y salida. La definición más común y sencilla del factor de fricción es la recomendada por (Claesson 2004) Eq.(2.5), donde la longitud pL es la longitud vertical entre los centros de los diámetros de los puertos.

 Sin embargo, otros autores consideran como longitud de flujo, la relación entre el área de intercambio entre el ancho de las placas, parámetro conocido como longitud de flujo desarrollado Eq.(2.7), de forma que el factor de fricción se calcula por medio de Eq. (2.6).

 Angel Andrea

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Calculo de Intercambiadores

El intercambiador más simple y en el que mejor se puede apreciar el intercambio en equicorriente o en contracorriente es el conocido como de «tubo en tubo» o de «tubos concéntricos», que como su nombre indica, consiste en un tubo dentro de otro de mayor diámetro y todo ello con una longitud L. Sin embargo, con este tipo de intercambiador, con potencias no demasiado grandes se requiere una gran longitud para obtener la superficie de intercambio necesaria, por lo que no es demasiado utilizado, salvo para muy pequeñas potencias, en lo que se conoce también como «tuberías de acompañamiento». En la elaboración del vino, teniendo en cuenta las temperaturas a las que se trabaja, normalmente entre 14 y 38 ℃, las potencias de intercambio no suelen ser elevadas y se utilizan también intercambiadores concéntricos, construidos en acero inoxidable y de un tamaño considerable a pesar de la poca potencia.

Sin duda el intercambiador más utilizado durante muchos años y que ha servido de referencia en la teoría de intercambiadores, es el intercambiador multitubular o de «carcasa y tubos».

En los intercambiadores de calor se dan dos tipos de cálculo: el de diseño y el de comprobación. Los cálculos de comprobación se realizan cuando se tiene el intercambiador o se conoce su superficie de intercambio, pero es necesario hallar la cantidad de calor transmitido o las temperaturas finales de los fluidos de trabajo. En este caso, por sencillez y rapidez, se utiliza el método NUT.

El cálculo para diseño de intercambiadores se describe a continuación y consiste en hallar las soluciones simultáneas de las ecuaciones del balance de calor y transmisión de calor, para determinar las dimensiones y formato del aparato.

En un intercambiador, las temperaturas de los fluidos se van modificando a medida que recorren la longitud L del aparato, por lo que en cada punto, existe un coeficiente de película distinto y por tanto, un coeficiente global de transmisión distinto. Si representamos en unas coordenadas cartesianas, en el eje de abscisas la longitud L del intercambiador y en el de ordenadas las temperaturas (t), obtenemos la curva de distribución de temperaturas a lo largo del intercambiador, que como se ve en la figura, es una curva logarítmica, por lo que la ecuación de transmisión usada para 

el cálculo es:

Donde ${\displaystyle k}$ es el coeficiente de transmisión global de la pared, ${\displaystyle S}$ es la superficie de la misma y ${\displaystyle \Delta t_{mlog}}$ es la diferencia de temperatura media logarítmica, que se calcula:

En la que ${\displaystyle \Delta t_{1}}$ y ${\displaystyle \Delta t_{2}}$ son las diferencias de temperatura a la entrada y a la salida del cambiador, tal como se indica en la figura.

El coeficiente de transmisión se calcula:

Para pared plana.

Para pared cilíndrica.

En las que ${\displaystyle h_{i}}$ y ${\displaystyle h_{e}}$ son los coeficientes de película de la pared interior y exterior del tubo interno y ${\displaystyle r_{i}}$ y ${\displaystyle r_{e}}$ los radios interior y exterior del mismo tubo.

Junto con la ecuación de transmisión se usa el balance de calor, según el cual; el calor cedido por el fluido caliente ha de ser igual al absorbido por el fluido frío:

En la que los subíndices corresponden: ${\displaystyle e=}$ entrada, ${\displaystyle s=}$ salida, ${\displaystyle fc=}$ fluido caliente y ${\displaystyle ff=}$ fluido frío.

Con ambas ecuaciones, conocidas las condiciones de los fluidos a intercambiar, se puede determinar la superficie S de intercambio y con ella la longitud de tubo, de un diámetro determinado, necesaria para la potencia a intercambiar.

En el caso del intercambiador en equicorriente, la temperatura de salida del fluido frío, no puede alcanzar nunca la temperatura de salida del fluido caliente, puesto que siempre es necesaria una diferencia de temperaturas para que el intercambio tenga lugar. Sin embargo, en el intercambiador en contracorriente, el gradiente de temperaturas que se origina como consecuencia de la forma en que se produce el intercambio, permite que la temperatura de salida del fluido frío pueda superar la temperatura de salida del fluido caliente, lo que se traduce a su vez, en mayor intercambio térmico para la misma superficie de intercambio y por tanto, mayor rendimiento. En el gráfico se puede observar esta características.

                                                                  RAYGMARE RONDÓN

                                                                                                           

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Intercambiador de calor

   Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos fluidos, o entre la superficie de un sólido y un fluido en movimiento. Son elementos fundamentales en los sistemas de calefacción, refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico, además de en aparatos de la vida cotidiana como calentadores, frigoríficos, calderas, ordenadores, el radiador del motor de un automóvil, etc.

Yeison Mora

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Tipos De Intercambiadores De Calor

2.- TIPOS DE INTERCAMBIADORES

a)      Intercambiador de contacto directo.

b)      Intercambiador de contacto indirecto.

b.a)   Regenrativos.

b.b)  Recuperativos.

b.b.a     ) Una sola corriente.

b.b.b     Dos corrientes en flujo paralelo.

b.b.c     Dos corrientes en contracorriente. 

b.b.d    Dos corrientes en flujo cruzado.

b.b.e     Dos corrientes en contraflujo cruzado.

b.b.f      Dos corrientes a pasos múltiples

2.1.- a) Intercambiadores de contacto directo

En los intercambiadores de contacto directo sin almacenamiento de calor las corrientes contactan una con otra íntimamente, cediendo la corriente más caliente directamente su calor a la corriente más fría. Este tipo de intercambiador se utiliza naturalmente cuando las dos fases en contacto son mutuamente insolubles y no reaccionan una con otra. Por consiguiente, no puede utilizarse con sistemas gas-gas.

Los intercambiadores de calor de contacto directo son de tres amplios tipos. En primer lugar, se tienen los intercambiadores gas-sólido. En la Fig. 2.1 se muestran diversas formas de los mismos.

Figura 2.1: Intercambiaodes de contacto directo gas-líquido sin almacenamiento de calor.

A continuación se tiene los intercambiadores fluido-fluido, en los que los dos fluidos en contacto son mutuamente inmiscibles. En la Fig. 2.2 se muestra algunos esquemas.

Figura 2.2: Intercambiadores de contacto directo fluido-fluido sin almacenamiento de calor.

Finalmente, no siempre es necesario que los dos fluidos en contacto sean mutuamente insolubles, y la Fig. 2.3 muestra intercambiadores donde uno de los fluidos circulantes se disuelve en el otro. En particular, en los sistemas aire-agua el intercambiador de contacto directo es de gran importancia ya que justo una de las fases (agua) se disuelve, o evapora, en la otra fase (aire). La torre de enfriamiento de agua, mostrada en la Fig. 2.3 es un ejemplo de este tipo, y de hecho representa el tipo más ampliamente utilizado de intercambiador de calor en la industria.

Figura 2.3: Intercambiador de calor de contacto directo fluido-fluido en los que una fase puede disolverse en otra.

El tratamiento adecuado de este tipo de intercambiador requiere la utilización de los métodos de transferencia simultáneamente de calor y materia, y va más allá del objetivo de este volumen.

2.2.- b.a) Regenerativos

 En los regenerativos una corriente caliente de un gas transfiere su calor a un cuerpo intermedio, normalmente un sólido, que posteriormente cede calor almacenado a una segunda corriente de un gas frío. Existe una serie de diferentes maneras de hacer esto, como muestra la Fig. 2.4.

Figura 2.4: Regeneradores de calor o intercambiadores con almacenamiento de calor: a) los sólidos que almacenan el calor están quietos; b) los sólidos que almacenan el calor circulan entre las corrientes paralelas caliente y fría.

El tubo de calor transporta calor muy eficazmente desde un lugar a otro, y puesto que la resistencia principal a la transmisión de calor está en los dos extremos del tubo, donde el calor se toma y cede, se utilizan normalmente tubos con aletas en estas zonas, como se muestra en la Fig. 2.5. El fluido del tubo que hierve en un extremo y condensa en el otro actúa transportando el calor con una circulación de ida y vuelta.

Figura 2.5: El tubo de calor transporta calor desde un sitio a otro, con frecuencia bastante apartado.

Conseguir un intercambio de calor en contracorriente de gases y líquidos no es problema, pero para dos corrientes de sólidos no es un caso fácil. La Fig 2.6 muestra una propuesta utilizando un intercambiador de calor en contracorriente de dos corrientes de sólidos, utilizando corriente líquida de ida y vuelta.

Figura 2.6: Intercambiador de calor sólido-sólido en contracorriente, que utiliza un líquido de ida y vuelta.

2.3 b.b) Recuperativos

Existen diversas configuraciones geométricas de flujo posibles en un intercambiador, las más importante son las que se representan en la Fig. 2.7.

Figura 2.7: Esquemas de configuraciones geométricas de flujo comunes para intercambiadores de calor recuperativos.

b.b.a) Una sola corriente. La configuración de una sola corriente se define como un intercambiador en el que cambia la temperatura de un solo fluido; en este caso la dirección del flujo carece de importancia. Los condensadores, evaporadores y las calderas de vapor son ejemplos de este tipo de intercambiadores. En la Fig. 2.7 (a) se ilustra un condensador simple.

b.b.b) Dos corrientesen flujos paralelos. Los dos fluidos fluyen en direcciones paralelas y en el mismo sentido. En su forma más simple, este tipo de intercambiador consta de dos tubos concéntricos, como muestra la Fig 2.7 (b). En la práctica, un gran número de tubos se colocan en una coraza para formar lo que se conoce como intercambiador de coraza y tubos,como se observa en la Fig. 2.8. El intercambiador de coraza y tubos se usa más frecuentemente para líquidos y para altas presiones. 

  

Figura 2.8: Intercambiador de calor de coraza y tubos de dos pasos por tubos y un paso por coraza. El primer paso por tubos se efectúa en flujos paralelos y el segundo en flujo a contracorriente. 

El intercambiador tipo placas mostrado en la Fig. 2.9 consiste en varias placas separadas por juntas y resulta más adecuado para gases a baja presión. Esta configuración se conoce también como intercambiador de corrientes paralelas.

 

Figura 2.9: Intercambiador de calor tipo placas.

b.b.c) Dos corrientes en contracorriente. Los fluidos se desplazan en direcciones paralelas pero en sentido opuesto. En la figura 2.7 (c) se muestra un intercambiador simple de tubos coaxiales, pero, como en el caso del intercambiador de corrientes paralelas, los intercambiadores de coraza y tubos o de placas son los más comunes.

Veremos que para un número dado de unidades de transferencia, la efectividad de un intercambiador de corriente es mayor que la del intercambiador  en contracorriente. Los precalentadores de agua de alimentación para calderas y los enfriadores de aceite para aviones son ejemplos de este tipo de intercambiadores de calor. Esta configuración se conoce también como intercambiadores de contracorriente.

b.b.d) Dos corrientes en flujo cruzado. Las corrientes fluyen en direcciones perpendiculares, como se muestra en la Fig 2.7 (d). La corriente caliente puede fluir por el interior de los tubos de un haz y la corriente fría puede hacerlo a través del haz en una dirección generalmente perpendicular a los tubos. Una o ambas corrientes pueden estar sin mezclarse, como se muestra. Esta configuración tiene una efectividad intermedia entre la de un intercambiador de corriente paralela y la de uno en contracorriente, pero a menudo su construcción es mas sencilla debido a la relativa simplicidad de los conductos de entrada y de salida. Un ejemplo común de este tipo de intercambiador es el radiador de automóvil que se muestra en la Fig.

2.10.

 

Figura 2.10: Radiador de automóvil.

b.b.e) Dos corrientes en contraflujo cruzado. En la práctica, las configuraciones de flujo de los intercambiadores se aproximan a menudo a las idealizaciones de la Fig. 2.7 (e); se muestran los casos de dos pasos y de cuatro pasos, aunque puede usarse un número mayor de pasos.(En un intercambiador de dos pasos los tubos pasan dos veces por la coraza). Conforme aumenta el número de pasos, la efectividad se aproxima a la de un intercambiador de corriente ideal.

b.b.f) Dos corrientes a pasos múltiples. Cuando los tubos de un intercambiador de coraza y tubos están dispuestos en uno o más pasos en el interior de la coraza, como muestra la Fig. 2.7 (f), algunos de los pasos producen un flujo paralelo mientras que otros producen un flujo a contracorriente. El intercambiador de dos pasos de este tipo es común porque sólo es necesario perforar uno de los extremos para permitir la entrada y salida de los tubos, como se muestra de manera esquemática en la Fig 2.8.

Yeison Mora

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Uso De Los Intercambiadores

Son diversos los usos que se le pueden acreditar a cada uno de  los tipos de intercambiadores existentes, pero en general,  los intercambiadores son usados para  recuperar calor entre dos corrientes en un proceso. Por ejemplo para algunos de los intercambiadores más usados actualmente, algunos de los usos que se conocen son los siguientes: (solo se discutirán los casos mas comunes)

INTERCAMBIADORES DE PLACAS

•  Para uso industrial desde Farmacéutico, Alimenticio, Químico, Petroquímico, Plantas Eléctricas, Plantas Siderúrgicas, Marino y otros más.
• Torres de Enfriamineto secas.
• Calentadores de Agua y otros fluídos, mediante vapor.
• Enfriadores de Aceite.
• Recuperadores de Calor, particularmente con diferenciales cortos de temperatura.
• Manejo de sustancias corrosivas, medias.
•  Enfraidores de agua salada.
• Para cualquier aplicación donde se requieren diferenciales cortos de temperatura.
• Para usos de refrigeración libres de congelación.

INTERCAMBIADORES COMPACTAS DE PLACAS SOLDADAS

·        Para uso de Refrigeración: como Evaporadores, Condensadores, Subenfriadores, Desupercalentadores y  Evaporadores de Cascada/Condensadores. 

·        Para Procesos tales como :

• Calentadores mediante vapor
• Condensador de vapor
• Enfriadores de Nitrógeno Líquido
• Enfriadores de Aciete Hidráulico, etc.

  

INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO:

·        Adecuado para trabajar en aplicaciones líquido-líquido y en general para los procesos donde los intercambiadores de placas no se puedan utilizar.

·        Industrias Alimentaría, Química, Petroquímica, Farmacéutica, etc.

               INTERCAMBIADORES DE CASCO Y TUBOS

• Vapor / Agua, para condensar vapor y / o calentar agua.
• Aceite / Agua, para enfriar aceite en sistemas de lubricación o hidráulicos y transformadores electricos.
• Vapor / Combustóleo, para calentar combustóleo en tanques de almacenamiento, fosas de recepción y estaciones de bombeo.
• Aire / Agua, para enfriar aire como Post-enfriadores de compresor de aire               (after - coolers).
• Refrigerante / Agua, para condesar refrigerantes.
• Intercambiadores de calor para procesos químicos y/ o petroquímicos; fabricados en acero al carbón, acero inoxidable y / o aceros especiales.
• Chilers ( Intercambiadores de calor para enfriar agua con gas refrigerante ) para unidades de agua helada
• Inter - Enfriadores y Post - Enfriadores para compresores Atlas Copco.
• Inter - enfriadores y Post - Enfriadores para compresores Ingellson Rand.

INTERCAMBIADORES DE CASCO Y TUBO DE GRAFITO

• Para Procesos químicos altamente corrosivos ( Manejo de Acidos y bases en bajas concentraciones).
• Diseño, fabricación y reparación.

Yeison Mora

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Intercambiadores de Calor

     

En los sistemas mecánicos, químicos  nucleares y otros, ocurre el calor debe ser transferido de un lugar a otro o bien, de un fluido a otro. Los intercambiadores de calor son los dispositivos que permiten realizar dicha tarea. Un entendimiento básico de los componentes mecánicos de los intercambiaremos de calor es necesario para comprender como estos funcionan y operan para un adecuado desempeño. 

      

Introducción.

      El Objetivo de este blog es presentar los intercambiadores de calor como dispositivo que permiten remover calor de un punto a otro de manera especifica en una determinada aplicación. Un Intercambiador de calor es un componente que permite la transferencia de calor de un liquido (liquido o gas) a otro fluido. Entre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores de calor se encuentran las siguientes: 

- Calentar un Fluido frió mediante un fluido con mayor temperatura.

- Reducir la temperatura de un fluido mediante un  fluido con menor temperatura 

- Llevar al punto de ebullición a un fluido mediante un fluido con mayor temperatura

- Condensar un Fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frió.

- Llevar al punto de ebullicion a un fluido mientras se condensa un fluido gaseoso con mayor temperatura.

Tipos de Intercambiadores de Calor Según su construcción:

1. Carcaza y Tubo:

     Consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado carcaza. El flujo del fluido dentro de los tubos se denomina comúnmente flujo interno y aquel que fluye en el interior del contenedor como fluido de carcaza o fluido externo. En los otros extremos de los tubos, el fluido internos es separado del fluido externo de la carcaza por la(s) placa(s) del tubo. 

Intercambiador de Tubo y Carcaza multipaso
La razón principal para usar diseños multipasos es el incremento en la velocidad promedio del fluido en el tubo. En un arreglo de dos pasos el fluido va hacia únicamente la mitad de los tubos , por lo que el numero de Reinolds (Ret=diGp/μ ;G/pie2) se duplica.
 Incrementando el numero de Reinold se incrementa: la turbulencia, se incrementa el numero de Nusselt y finalmente se incrementa el coeficiente de convección, aunque la región en flujo paralelo resulte en una baja efectividad de ΔT, el incremento del coeficiente de transferencia de calor compensara esto, y el intercambiador será mas peqeño para un servicio. 
 Las mejoras conseguidas con los intercambiasores multipaso son suficientemente grandes que ellos son mas comunes en la industria que los intercambiadores en paralelo o contracorriente. 

Clasificación.
Los intercambiadores de calor de carcaza y tubos se clasifican en tres tipos de acuerdo a los estándares generales que contienen información sobre diseño, fabricación y materiales de construcción del equipo.
1- Clase R para petróleo y aplicaciones relacionadas
2- Clase C para aplicaciones de propósitos generales
3- Clase B servicios químicos
Independientemente del tipo, los intercambiadores de acuerdo a su construcción mecánica, pueden ser
1) De cabezal fijo
2) Tubos en forma de U
3) De cabezal flotante


CABEZAL FIJO:
Se caracterizan por tener dos placas de tubos soldadas a la carcaza, el interior de los tubos se puede limpiar mecánicamente después de remover la tapa del canal. El banco de tubos no se puede extraer y su limpieza exterior se debe realizar químicamente. Se utiliza para fluidos limpios, por el lado de la carcaza.

Caracteristicas 
•No presentan uniones internas por lo cual se elimina partes potenciales de fugas, los tubos internos se pueden colocar muy cerca de la cara interna de la carcaza y por lo tanto el numero de tubos para un determinado diámetro es mayor que para cualquier otro tipo de intercambiador.

•Se puede usar para altas presiones y fluidos tóxicos.

•La combinación de temperaturas y coeficientes de expansión de la carcaza y los tubos durante el servicio causan una expansión diferencial que si no puede ser absorbida por el equipo es recomendable usar otro intercambiador.

TUBOS EN FORMA DE U.
Se caracteriza por tener solo una placa de tubos en forma de U, que tienen la particularidad de moverse libremente con relación a la carcaza lo que elimina el problema de la expansión diferencial. Los bancos de tubos se pueden remover para limpieza mecánica, pero el interior de estos se limpia en general químicamente.

Característica.
•Se utilizan cuando el fluido que circula por los tubos es limpio, los fluidos sucios circulan por la carcaza.

•Estos intercambiadores no tienen uniones internas y los tubos periféricos se pueden colocar muy cerca de la cara interna de la carcaza, pero como existe una limitación mecánica en el radio de los tubos interiores, el numero de tubos que se puede colocar enuna carcaza de diámetro dado es menor a la de placa de tubos fijos.


CABEZAL FLOTANTE.
Se caracteriza por tener una hoja de tubos fijas, mientras que la otra flota libremente permitiendo el movimiento diferencial entre la carcaza y los tubos, se puede extraer todo el haz de tubos para la limpieza

Tipos y Aplicaciones del cabezal flotante.

Tipo A: Es un barril cilíndrico o canal con bridas en ambos extremos, uno de los cuáles permite el acceso al canal y el otro se sujeta con pernos a la hoja de tubos fija.
Tipo B: Consiste en un barril cilíndrico con un bonete soldado en un extremo y una brida en otro, sujeta con pernos a al espejo de tubos.
Ambos se usan con placa de tubo fija, tubos en forma de U y bancos de tubo removible.
Tipo C: Una brida se sujeta con pernos y permite el acceso al canal y el otro extremo esta soldado a la hoja de tubos. Presenta problemas de mantenimiento.
Tipo D: Es utilizado especialmente para altas presiones. El canal y la 
placa de tubo tienen construcción forjada integral.

2. Plato:

     Consiste de placas en lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y frió  Los líquidos calientes y fríos se alteran entre cada uno de las placa y bafles dirigen el flujo del liquido entre placas.  Ya que en cada de una de las placas tiene un área superficial muy grande, las placas proveen un área extremadamente grande de transferencia de térmica a cada uno de los líquidos  Por lo tanto un intercambio de placas es capaz de transferir mucho mas calor con respecto a un intercambio de carcaza y tubos con volumen semejante, esto es debido a que las placas proporcionan una mayor área que la de los tubos. Los intercambiadores de placa no se utilizan extensamente debido a la inhabilidad de sellar confiablemente las juntas entre cada una de las placas.

Según su Operación:

 Los intercambiadores de calor se presentan de muchas formas, tamaños, materiales de manufactura y modelos, estos son categorizados de acuerdo con características comunes. Una de las características comunes que se puede emplear es la dirección relativa que existe entre los dos flujo de fluido. Las tres categorías son: Flujo Paralelo, Contraflujo y Flujo Cruzado.

1. Flujo Paralelo:

     Existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de la carcaza ambos fluyen en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura significativa. Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, la temperatura de los fluidos se aproximan la una a la otra, es decir que uno disminuye su temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos. Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más caliente.

2. Contraflujo:

     Se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos Ya que el fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se aproximará a al temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente que los otros dos tipos mencionados anteriormente. En contrate con el intercambiador de calor de flujo paralelo, el intercambiador de contraflujo puede presentar la temperatura más alta en el fluido frío y la más baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de calor en el intercambiador.

3. Flujo Cruzado:

     En el intercambiador de calor de flujo cruzado uno de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido, esto es, uno de los fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90  Los intercambiadores de flujo cruzado son comúnmente usado donde uno de los fluidos presenta cambio de fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos faces bifásico. Un ejemplo típico de este tipo de intercambiador es en los sistemas de condensación de vapor, donde el vapor exhausto que sale de una turbina entra como flujo externo a la carcaza del condensador y el agua fría que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y éste se condensa y forma agua líquida. Se pueden condensar grandes volúmenes de vapor de agua al utiliza este tipo de intercambiador de calor.

     

Intercambiadores de un solo paso (o paso simple) y de múltiple pasos.

     Un método que combina las características de dos o más intercambiadores y permite mejorar el desempeño de un intercambiador de calor es tener que pasar los dos fluidos varias veces dentro de un intercambiador de paso simple. Cuando los fluidos del intercambiador intercambian calor más de una vez, se denomina intercambiador de múltiple pasos . Sí el fluido sólo intercambia calor en una sola vez, se denomina intercambiador de calor de paso simple o de un solo paso. Comúnmente el intercambiador de múltiples pasos invierte el sentido del flujo en los tubos al utilizar dobleces en forma de "U"en los extremos, es decir, el doblez en forma de "U" permite al fluido fluir de regreso e incrementar el área de transferencia del intercambiador. Un segundo método para llevar a cabo múltiples pasos es insertar bafles o platos dentro del intercambiador.

Intercambiadores Regenerativos y No-regenerativos.

     Un intercambiador regenerativo es aquel donde se utiliza el mismo fluido (el fluido caliente y el fluido frío es el mismo). Esto es, el fluido caliente abandona el sistema cediendo su calor a un

regenerador y posteriormente regresando al sistema.  Los intercambiadores regenrativos son comúnmente utilizados en sistemas con temperaturas altas donde una porción del fluido del sistema se remueve del proceso principal y éste es posteriormente integrado al sistema. Ya que el fluido que es removido del proceso principal contiene energía (energía interna, mal llamado calor), el calor del fluido que abandona el sistema se usa para recalentar (regenerar) el fluido de regreso en lugar de expeler calor hacia un medio externo más frío lo que mejora la eficacia del intercambiador. Es importante recordar que el término "regerativo/no-regenerativo" sólo se refiere a "cómo" funciona el intercambiador de calor en un sistema y no indica el tipo de intercambiador (carcaza y tubo, plato, flujo paralelo, contraflujo). En un intercambiador regenerativo, el fluido con mayor temperatura en enfriado por un fluido de un sistema separado y la energía (calor) removida y no es regresaba al sistema.

Aplicaciones de los intercambiadores de calor

     Los intercambiadores de calor se encuentran en muchos sistemas químicos o mecánicos. Estos sirven, como su nombre lo indica, para ganar calor o expeler calor en determinados procesos. Algunas de la aplicaciones más comunes se encuentran en calentamiento, ventilación, sistemas de acondicionamiento de espacios, radiadores en máquinas de combustión interna, calderas, condensadores, y precalentadores o enfriamiento de fluidos. En este apartado se revisan algunas aplicaciones específicas de intercambiadores de calor. Se intenta proveer varios ejemplos específicos de cómo funciona un intercambiador de calor en un determinado sistema, claro está que no se cubren todas las aplicaciones posibles.

1. Precalentador:
En sistemas de vapor de gran escala, o en sistemas donde se requieren grandes temperaturas, el fluido de entrada es comúnmente precalentado en etapas, en lugar de tratar de calentar dicho fluido en una sola etapa desde el ambiente hasta la temperatura final. El precalentamiento en etapas incrementa la eficiencia del la planta y minimiza el choque térmico de los componentes, que es el caso de inyectar fluido a temperatura ambiente en una caldera u otro dispositivo operando a alta temperatura.

2. Aire acondicionado, evaporador y condensador
Todos los sistemas de aire acondicionado contienen por lo menos dos intercambiadores de calor, generalmente llamados evaporador y condensador. En cualquier caso, el evaporador o el condensador, el refrigerante fluye en el intercambiador de calor y transfiere el calor, ya sea ganándolo o expeliendolo al medio frío. Comúnmente, el medio frío es aire o agua. En el caso del condensador, el gas refrigerante caliente de alta presión se debe condensar a en un líquido subefriado. El condensador logra esto enfriando el gas al transferir su calor al aire o al agua. El gas enfriado es entonces condensado en líquido. En el evaporador, el refrigerante subenfriado fluye en el intercambiador de calor, y el flujo del calor se invierte, con el refrigerante relativamente frío se absorbe calor absorbido del aire más caliente que fluye por el exterior de los tubos. Esto enfría el aire y hace hervir al refrigerante.

3. Condensadores de vapor
El condensador del vapor, es un componente importante del ciclo del vapor en instalaciones de generación de potencia. Es un recinto cerrado en el cual el vapor sale de la turbina y se fuerza para ceder su calor latente de la vaporización. Es un componente necesario del ciclo del vapor por dos razones. La primera, convierte el vapor usado nuevamente en agua para regresarla al generador o a la caldera de vapor como agua de alimentación. Esto baja el costo operacional de la planta permitiendo reutilizar el agua de alimentación, y resulta más fácil bombear un líquido que el vapor. La segunda razón, aumenta la eficiencia del ciclo permitiendo que el ciclo funcione opere con los gradientes más grandes posibles de temperatura y presión entre la fuente de calor (caldera) y el sumidero de calor (condensador). Condensando el vapor del extractor de la turbina, la presión del extractor es reducida arriba de la presión atmosférica hasta debajo de la presión atmosférica, incrementando la caída de presión del vapor entre la entrada y la salida de la turbina de vapor.

Resumen de aplicaciones de los intercambiadores de calor:
• Precalentador
• Aire acondicionado, evaporador y condensador
• Condensador de vapor.
El propósito de un condensador es remover calor latente de vaporización y condensar el vapor en líquido. Los intercambiadores condensadores condensan el vapor en líquido que es devuelto a la caldera. La eficiencia del ciclo se incrementa al asegurar un máximo gradiente de temperatura entre la fuente y el sumidero de calor. El pozo de condensado (hotwell) es el área al fondo del condensador donde se colecta el vapor condensado y es bombeado hacia el agua de alimentación.

Proceso de un intercambiador de Calor.

Un intercambiador de calor en un sistema de intercambio de energía en forma de calor entre un fluido caliente y un fluido frío. En la práctica, toda la potencia cedida por el fluido caliente (fc) es absorbida por el fluido frío (ff), cumpliéndose el siguiente balance de energía:

La potencia térmica en un fluido en estado líquido depende del caudal másico y de la diferencia entre las temperaturas de entrada y salida. En un fluido con cambio de fase en condiciones de saturación (condensación o evaporación), la potencia térmica depende del caudal másico y de la entalpía de cambio de fase, la cual viene determinada por la presión de saturación.

El proceso queda definido cuando todos los parámetros han sido fijados por el cliente, a excepción de uno,  que será calculado por aplicación del balance de energía anterior. Por ejemplo:

Producto líquido (p), servicio líquido (s). Lo habitual es definir el caudal y las temperaturas de entrada y de salida del producto, y dejar libre uno de estos tres valores en el fluido de servicio:

 Producto líquido (p), servicio con cambio de fase (s). Lo habitual es definir el caudal y las temperaturas de entrada y de salida del producto, así como la presión de en el servicio, dejando libre el caudal de servicio.

Propiedades térmicas. 

Para el diseño del intercambiador de calor es necesario conocer las siguientes propiedades térmicas, tanto para el producto como para el servicio: densidad, calor específico, conductividad y viscosidad. En general, para el diseñador es interesante conocer el valor de estas propiedades a diferentes temperaturas, dentro del rango de trabajo. Pero en la industria alimentaria, esta información cobra una relevancia total: la viscosidad de los productos alimentarios cambia muy bruscamente con la temperatura (más acusadamente con temperaturas bajas) y es común encontrar un comportamiento no Newtoniano del producto, en el que la viscosidad depende además de la velocidad de paso por el intercambiador. Por tanto, una caracterización adecuada de las propiedades térmicas es la base para un diseño óptimo del intercambiador de calor.

Conclusion:

Los intercambiadores de calor son equipos utilizados esencialmente para el intercambio de calor entre dos fluidos a diferentes temperaturas. Para el análisis y entendimiento de cada uno de los tipos de intercambiadores es muy necesario identificar cada uno de ellos de acuerdo a su operación, fabricación y superficie de intercambio. El intercambio de calor en los diferentes tipos de intercambiadores utilizan esencialmente principios básicos de intercambio de calor, como la conducción y convección.

Maria Elena Hidalgo

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