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:
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.
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
Excelente Blog Felicitaciones
ResponderEliminar