INTERCAMBIADOR DE CALOR.

 

Un intercambiador de calor es un equipo que transfiere continuamente calor de un medio a otro. Hay dos tipos principales de intercambiadores de calor: directos e indirectos.

Intercambiador de calor directo

Donde ambos medios están en contacto directo entre sí. Se da por sentado que los medios no se mezclan. Un ejemplo de este tipo de intercambiador de calor es una torre de enfriamiento, donde el agua se enfría a través del contacto directo con el aire.

Intercambiador de calor indirecto

Donde ambos medios están separados por una pared a través de la cual se transfiere el calor.

Los intercambiadores de calor indirectos están disponibles en varios tipos principales (placa, carcasa y tubo, espiral, etc.) En la mayoría de los casos, el tipo de placa es el intercambiador de calor más eficiente. En general, ofrece la mejor solución a los problemas térmicos, brindando los límites más amplios de presión y temperatura dentro de la restricción del equipo actual.

Principios y fundamentos que permiten el diseño

Intercambiador de calor con cabezal flotante

Como puede observarse está compuesto, de forma general, y de izquierda a derecha por un cabezal fijo unido a la carcasa por bridas tornillos y tuercas, en la que se integra el haz de tubos. El deflector longitudinal está integrado dentro del cabezal flotante.

Es importante fijarse en la configuración de los diferentes haces de tubos, donde la pantalla estacionaria puede estar dentro de la carcasa o fijada entre esta y el cabezal fijo, junto con otras posibles configuraciones.

Funcionamiento de un intercambiador de calor

Esta animación muestra el principio de funcionamiento de un intercambiador de calor de placas con juntas de 1 paso para líquidos/líquidos, donde los fluidos corren contracorriente a través del intercambiador de calor. El líquido caliente (ilustrado en rojo) normalmente entra por una de las conexiones superiores y sale por la conexión inferior. El líquido frío (ilustrado en azul) entra por una de las conexiones inferiores y sale por la conexión de arriba.

A medida que los fluidos pasan a través del intercambiador de calor, el calor se transfiere de los medios calientes a los medios fríos. El flujo de contracorriente permite las máximas posibilidades de recuperación de calor y se puede lograr una aproximación muy cercana a la temperatura.

La temperatura cruzada también es posible, lo que significa que la salida caliente puede alcanzar una temperatura más baja que la salida fría. Esto sólo puede lograrse de forma limitada

con intercambiadores de calor tubulares que hacen que los intercambiadores de calor de placas y bastidores sean más eficientes térmicamente.

Los fluidos entran a través de las conexiones y portillas de las placas de transferencia de calor. Las juntas de estanqueidad especialmente diseñadas, situadas entre las placas, dirigen los fluidos de modo que los fluidos calientes y fríos pasan contracorriente en canales alternados

Control

Control realimentado – FeedBack El objetivo del sistema es controlar la temperatura de salida del producto. El controlador cambia su salida en función al error entre la temperatura de referencia y la temperatura de salida del producto. La principal ventaja de esta estrategia radica en su simplicidad de implementación y la capacidad de compensar cualquier tipo de perturbación del Sistema.

Control anticipativo – FeedForward. Aunque el control realimentado es el más usado a nivel industrial, su desventaja radica en que la compensación de los disturbios no se realiza hasta que la variable controlada se desvíe del punto de operación, es decir, la perturbación debe propagarse en todo el proceso antes de ser compensada.

Control Integrado. brinda un mayor grado de libertad en el ajuste de las especificaciones de diseño del sistema de control, por ejemplo: • Rechazo de perturbaciones (Control anticipativo). • Minimizar variación de flujo del fluido Calor Portador (Control cascada). • Seguimiento de la referencia (control realimentado). La integración de estas tres estrategias permite la optimización del control de temperatura del intercambiador de calor para minimizar la variación del proceso, maximizar la calidad del producto y garantizar la eficiencia energética del proceso.

 

ESQUEMAS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR MÁS UTILIZADOS

Intercambiadores de has de Tubos y Coraza

Los intercambiadores de tipo haz de tubos y coraza se usan para servicios en los que se requieren grandes superficies de intercambio, generalmente asociadas a caudales mucho mayores de los que puede manejar un intercambiador de doble tubo. En efecto, el intercambiador de doble tubo requiere una gran cantidad de horquillas para manejar servicios como los descriptos, pero a expensas de un considerable consumo de espacio, y con aumento de la cantidad de uniones que son puntos débiles porque en ellas la posibilidad de fugas es mayor.

La solución consiste en ubicar los tubos en un haz, rodeados por un tubo de gran diámetro denominado coraza. De este modo los puntos débiles donde se pueden producir fugas, en las uniones del extremo de los tubos con la placa, están contenidos en la coraza. En cambio, en un conjunto de horquillas estos puntos están al aire libre.

 

CLASIFICACIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

Dada la multitud de aplicaciones de estos dispositivos, se puede realizar una clasificación dependiendo de su construcción. Para la elección del mismo se consideran aspectos como tipo de fluido, densidad, viscosidad, contenido en sólidos, límite de temperaturas, conductividad térmica, etc.

La satisfacción de muchas demandas industriales requiere el uso de un gran número de horquillas de doble tubo. Estas consumen considerable área superficial, así como presentan un número considerable de puntos en los cuales puede haber fugas. Cuando se requieren superficies grandes de transferencia de calor, pueden ser mejor obtenidas por medio de equipo de tubo y coraza.

Intercambiador de Doble Tubo

Las partes principales son dos juegos de tubos concéntricos, dos tubos en “T” conectores, un cabezal de retorno y un codo en U. La tubería interior se soporta en la exterior mediante esteperos y el fluido entra al tubo interior a través de una conexión roscada localizada en la parte externa del intercambiador.

Deflectores Segmentados

Son placas segmentadas dispuestas a lo largo del intercambiador. Sirven para mantener los tubos en la posición adecuada y obligar

 

Intercambiador de Placas

De placas: formados por un conjunto de placas de metal corrugadas (acero inoxidable, titanio, etc.) contenidas en un bastidor. El sellado de las placas se realiza mediante juntas o bien pueden estar soldadas.

 

Intercambiador de Tubos en U

Tubulares: formados por un haz de tubos corrugados o no, realizado en diversos materiales. El haz de tubos se ubica dentro de una carcasa para permitir el intercambio con el fluido a calentar o enfriar.

 

Intercambiador de Tubo Aleteado

Tubo aleteado: se compone de un tubo o haz de tubos a los que se sueldan aletas de diferentes tamaños y grosores para permitir el intercambio entre fluidos y gases. P. ej., radiador de un vehículo.

 

Intercambiador de Un solo paso 

Intercambiador de Tubos en Espiral

Intercambiador de Flujo Transversal

 

Intercambiador de Calor de Tubos en U

Rehervidor de Cabezal Flotante de Caldera

 

APLICACIONES DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR EN LAS INDUSTRIAS

Principales usos del intercambiador de calor

En términos generales, los principales usos de los intercambiadores de calor son:

·         Elevar la temperatura de un fluido, usando otro más caliente.

·         Refrigerar un fluido usando otro que se encuentra a menos temperatura.

·         Condensar gases.

·         Evaporar líquidos.

En las industrias los intercambiadores de calor se dividen en tareas con distintas aplicaciones entre ellas se destacan las siguientes:

Agua/Agua

Agua enfriada: aquí se utiliza agua de menor temperatura, por ejemplo, de una torre de refrigeración, un lago, un río o el mar.

Agua calentada: aquí se utiliza agua con una temperatura más alta, por ejemplo, calefacción urbana, calderas o agua caliente para procesos.

Algunos usos típicos de los intercambiadores de calor de placas:

- Calefacción/refrigeración del distrito

- Calentamiento del agua del grifo

- Calentamiento de piscinas

- Recuperación de calor (refrigeración del motor)

- Control de la temperatura de las piscifactorías

- Industria siderúrgica - refrigeración de hornos

 - Industria energética - refrigeración central

Agua/petróleo

En algunas industrias, el petróleo tiene que ser enfriado usando agua. Esta agua puede ser conectada a un sistema de recuperación de calor que recupera el calor del petróleo para varios usos, como el calentamiento del agua del grifo, etc.

 

Algunos usos típicos de los intercambiadores de calor de placas:

- Refrigeración de aceite hidráulico

- Enfriamiento de aceite de enfriamiento

- Refrigeración del aceite de motor en los bancos de pruebas de los motores

Agua/glicol

Cuando hay riesgo de congelamiento, se agrega glicol al agua.

El glicol tiene una capacidad calorífica diferente a la del agua y por lo tanto necesita un área de transferencia de calor algo mayor para realizar la misma tarea. Por otra parte, las propiedades físicas de los diversos glicoles son muy similares.

Algunos ejemplos de glicoles son:

- Etilenglicol (mono, di o tri)

- Propilenglicol.

Algunos usos típicos de los intercambiadores de calor de placas:

- Como un intercooler en una bomba de calor

- La producción de agua fría en los alimentos

- Refrigeración del aire acondicionado

Principales industrias donde se usa un intercambiador de calor

Los intercambiadores de calor de placas se utilizan en muchas industrias diferentes, por ejemplo:

·         Química

·         Farmacia

·         Marina

·         Biotecnología

·         Manejo de fluidos

·         Aplicación HVAC

·         Proceso de calentamiento y enfriamiento

·         Enfriamiento de aceite

·         Refrigeración comercial

·         Refrigeración industrial

  

CONCLUSIONES

Tras la investigación logramos darnos cuenta que una buena eficiencia en un intercambiador de calor se obtiene a partir de un buen diseño y una acertada elección de los materiales para su fabricación. A parte del diseño térmico de los intercambiadores que es un área en donde tienen numerosas aplicaciones los principios de transferencia de calor.

El diseño real de un intercambiador de calor es un problema mucho más complicado que el análisis de la transferencia de calor porque en la selección del diseño final juegan un papel muy importante los costos, el peso, el tamaño y las condiciones económicas.

El trabajo investigativo ha servido para comprobar la utilidad de los conceptos estudiados en clase, fundamentalmente en transferencia de calor, Además, nos ha permitido introducirnos en un campo de la ingeniería con muy diversas aplicaciones para industrias totalmente diferentes