Intercambiador de Calor

Intercambiador de Calor

intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico. Un intercambiador típico es el radiador del motor de un automóvil, en el que el fluido refrigerante, calentado por la acción del motor, se refrigera por la corriente de aire que fluye sobre él y, a su vez, reduce la temperatura del motor volviendo a circular en el interior del mismo.

Clasificación

Los intercambiadores de calor pueden clasificarse según como sea:

Intercambiadores de contacto directo: son aquellos dispositivos en los que los fluidos sufren una mezcla física completa.

Intercambiadores de contacto indirecto:los intercambiadores de flujo paralelo (intercambio líquido - líquido) y los cambiadores de flujo cruzado (intercambio líquido - gas)

• Alternativos: ambos fluidos recorren un mismo espacio de forma alternada, la mezcla entre los fluidos es despreciable.
• De superficie: son equipos en los que la transferencia de calor se realiza a través de una superficie, cilíndrica o plana, sin permitir el contacto directo.

Clasificación de los intercambiadores de calor de superficie

La clasificación más usual de este grupo de intercambiadores, se realiza en base a la dirección relativa de los flujos de ambos fluidos, pudiéndose hablar entonces de cambiadores de flujos paralelos y de cambiadores de flujos cruzados, según sus direcciones sean paralelas en el espacio o formen cualquier ángulo en él.

Los intercambiadores de flujos paralelos, son generalmente utilizados en el intercambio térmico líquido-líquido, mientras que los de flujos cruzados se utilizan generalmente en el intercambio líquido-gas.

Se denomina intercambiadores de calor de flujos paralelos a aquellos en los que circulan ambos fluidos con direcciones paralelas en el espacio, si además de tener ambos flujos la misma dirección, tienen el mismo sentido, reciben el nombre de “en equicorriente”, denominándose en “contracorriente” a aquellos en los que los flujos tienen sentidos contrarios.

Dentro del subgrupo de intercambiadores de flujos paralelos, se emplean entre otros, los denominados “de placas”, “de tubo”, también llamados “de doble tubo”, de “inmersión”, “multitubulares” o de “carcasa y tubos”. En los Intercambiadores de Calor de Carcasa y Tubos , es normal combinar la clasificación anterior con otra, basada en el número de veces que cada partícula de los fluidos recorre el intercambiador, recibiendo el nombre de paso cada recorrido, así, un intercambiador en equicorriente o contracorriente, sería un cambiador de un paso por carcasa y un paso por tubos.

En los Intercambiadores de Calor de Carcasa y Tubos , es normal combinar la clasificación anterior con otra, basada en el número de veces que cada partícula de los fluidos recorre el intercambiador, recibiendo el nombre de paso cada recorrido, así, un intercambiador en equicorriente o contracorriente, sería un cambiador de un paso por carcasa y un paso por tubos.

Tipos de intercambiadores de calor.

Los intercambiadores de calor se pueden clasificar en muchas formas diferentes. Una forma consiste en basar la clasificación en las direcciones relativas del flujo de los fluidos calientes y frío, dando lugar a términos como fluidos paralelos, cuando ambos fluidos se mueven en la misma dirección; flujo encontrado, cuando los fluidos se mueven en paralelo pero en sentido opuesto; y flujo cruzado, cuando las direcciones de flujo son mutuamente perpendiculares. Otra manera de clasificar los intercambiadores de calor, es mediante la estructura y uso de los mismos, como se muestra a continuación:

Intercambiadores de coraza y tubo:

Los intercambiadores del tipo de coraza y tubo constituyen la parte más importantes de los equipos de transferencia de calor sin combustión en las plantas de procesos químicos. (Aun cuando se está haciendo cada vez mayor hincapié en otros diseños).Consiste en una serie de tubos lineales colocados dentro de un tubo muy grande llamado coraza y representan la alternativa a la necesidad de una gran transferencia de calor. Dentro de este tipo de intercambiadores (de coraza y tubo), dependiendo a su construcción se puede conseguir diferentes tipos como los son:

• Intercambiador de calor de espejo fijo
• Intercambiador de calor de tubo en U
• El calentador de succión del tanque.
• Intercambiador de anillo de cierre hidráulico
• Intercambiador de cabezal flotante con empaque exterior
• Intercambiador de cabezal flotante interno
• Intercambiador de cabezal flotante removible
• Intercambiador de doble tubo

Existen intercambiadores de tipo de placa en varias formas: en espiral, de placa (y armazón), de aleta con placa soldada y de aleta de placa y tubo.

Intercambiadores de placa en espiral: el intercambiador de placa en espiral se hace con un par de placas laminadas para proporcionar dos pasos rectangulares relativamente largos para los fluidos con flujo en contracorriente. La trayectoria continua elimina la inversión del flujo (y la caída consiguiente de la presión), las desviaciones y los problemas de dilataciones diferenciales. Los sólidos se pueden mantener en suspensión.

Intercambiadores de placa y armazón: los intercambiadores de placa y armazón consisten en placas estándares, que sirven como superficies de transferencia de calor y un armazón para su apoyo.

Intercambiador de calor de aleta y placa con soldadura fuerte: la superficie de transferencia de calor de aleta y placa se compone de una pila de capas, cada una de las cuales consiste en una aleta corrugada entre láminas metálicas planas, selladas en los dos lados mediante canales o barras, para formar un paso para el flujo del fluido.

Superficie de placa, aleta y tubo: las aletas rectangulares se perforan, forman, acampanan y apilan antes de que se inserten los tubos en las abrazaderas de las aletas y se dilaten para producir la superficie de placa, aleta y tubo.

Intercambiadores de bloques de grafito:Los intercambiadores cúbicos de grafito impermeable consiste en cubos sólidos, perforados con hileras de orificios paralelos que están en ángulo recto con los superiores y los inferiores. Los cabezales sujetos con pernos a los lados opuestos de las caras verticales del cubo proporcionan el flujo del fluido de proceso a través del bloque. Los cabezales apropiados en las caras verticales restantes dirigen el medio de calentamiento o enfriamiento a través de los intercambiadores.

También hay un intercambiador de tipo de bloque que consiste en una serie de bloques cilíndricos de grafito impermeable con pasajes radiales y axiales. El intercambiador del bloque cúbico de grafito no está sujeto a daños a partir de choque mecánico, como sucede con el intercambiador de coraza y tubo del mismo material.

Enfriadores en cascada: Los enfriadores en cascada consisten en una serie de tubos montados horizontalmente, uno sobre otros. Se denominan a veces enfriadores de trombón, enfriadores de goteo o de serpentín. El agua de enfriamiento de un deposito de distribución se desliza sobre cada tubo y, a continuación, va a un dren. El fluido caliente circula generalmente en flujo a contracorriente, del fondo a la parte superior del grupo de tubos. Existen enfriadores en cascada de vidrio, grafito impermeable, hierro colado y otros materiales.

Enfriadores atmosféricos: Las secciones atmosféricas consisten en tubos lisos arreglados en haces de tubos rectangulares, que se instalen encima de estanques de agua en la parte inferior de una torre de enfriamiento. El fluido de proceso o el agua de enfriamiento primario fluye dentro de los tubos.

Intercambiador tubular tipo bayoneta: Este tipo de intercambiadores son útiles cuando existe una diferencia extrema de temperatura entre los fluidos del lado de la coraza y lado del tubo, ya que todas las partes sujetas a expansión diferencial son libres para moverse, independientes entre si.

Intercambiadores de tubo en espiral: Los intercambiadores de tubo en espiral consisten en un grupo de serpentines concéntricos arrollados en espiral, por lo general conectados por múltiples (manifolds). Entre sus características se incluye flujo a contracorriente, eliminación de las dificultades de la expansión diferencial, velocidad constante y compactación. intercambiadores de tubo en espiral para servicio criogénico: En algunos de los intercambiadores de servicio criogénico se requiere que exista reversibilidad termodinámica con pequeñas diferencias en temperaturas y es en estos casos cuando se utilizan unidades del tipo espiral.

Intercambiadores de película descendente: Las principales ventajas de estos intercambiadores de calor son la alta velocidad de transferencia de calor, la existencia nula de caída de presión interna, corto tiempo de contacto (característica muy importante para materiales sensibles al calor), facilidad de acceso a los tubos para su limpieza y, en algunas ocasiones, prevención de fugas de un lado a otro.

Estos intercambiadores de calor se utilizan en diversos servicios, como se describe a continuación:

• ENFRIADORES Y CONDENSADORES DE LIQUIDOS.
• EVAPORADORES.
• ABSORVEDORES.
• CONGELADORES.

Intercambiadores de superficie escariada (raspada): Los intercambiadores de superficie escariada tienen un elemento rotatorio con hojas unidas a un soporte para presionar o raspar la superficie interna. Los intercambiadores de superficie escariada son particularmente adecuados para la transferencia de calor con cristalización, transferencia de calor con gran ensuciamiento de la superficie, transferencia de calor con extracción por disolventes y para transferencia de calor de fluidos de alta viscosidad.

Evaporadores

Evaporadores: Los evaporadores se emplean para la concentración de soluciones por evaporación de agua u otro fluido.

Los evaporadores se pueden clasificar como sigue:

• Medio de calentamiento separado del líquido en evaporación del líquido en evaporación, mediante superficies tubulares de calentamiento.
• Medio de calentamiento confinado por serpentines, camisas, paredes dobles, placas planas, etc.
• Medio de calentamiento en contacto directo con el líquido en evaporación.
• Calentamiento mediante la radiación solar.

Fuentes

Delgado Linares, Gregorio. Intercambiadores de calor.