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