Operaciones Unitarias: INTERCAMBIADORES DE CALOR

DEFINICION:

En las Industrias de procesos la transferencia de calor entre dos fluidos casi siempre se lleva a cabo en intercambiadores de calor. El tipo más común es uno en el cual el fluido caliente y el frío no entran en contacto directo el uno con el otro, sino que están separados por una pared de tubos o una superficie plana o curva. La transferencia de calor se efectúa por convección desde el fluido caliente a la pared o la superficie de los tubos, a través de la pared de tubos o placa por conducción, y luego por convección al fluido frío.

Fundamentos del flujo de calor en fluidos:

La transferencia de calor desde un fluido más caliente a uno más frío, generalmente a través de una pared sólida que separa los dos fluidos, es un caso que se encuentra con frecuencia en la práctica de la ingeniería. El calor transferido puede ser calor latente, que va acompañado de un cambio de fase tal como la condensación o evaporación, o bien tratarse de calor sensible procedente del aumento o disminución de la temperatura de un fluido sin cambio de fase. Ejemplos típicos son la disminución de temperatura de un fluido por transferencia de calor sensible hacia un fluido más frío, cuya temperatura aumenta por este hecho; condensación de vapor de agua utilizando agua de enfriamiento, y evaporación de agua a partir de una disolución a una determinada presión mediante condensación de vapor a una presión más alta. Todos estos casos implican transferencia de calor por conducción y convección.

Diseño general del equipo para intercambio de calor:

A partir de balances de materia y energía, se calcula la velocidad requerida de transferencia de calor. Entonces, utilizando el coeficiente global y el ∆T promedio, se determina el área que se requiere para la transferencia de calor y, en el caso de equipo que opera por ciclos, la duración de cada ciclo. En dispositivos sencillos estas magnitudes se evalúan fácilmente y con una exactitud considerable, pero en las unidades de procesamiento complejas la evaluación a menudo resulta difícil y está sometida a una considerable incertidumbre. El diseño final es casi siempre un compromiso, basado en el criterio de ingeniería, para obtener el mejor funcionamiento global teniendo en cuenta los requerimientos de servicio. Algunas veces el diseño está condicionado por consideraciones que tienen poco que ver con la transferencia de calor, tales como el espacio disponible para la instalación del equipo o la caída de presión tolerable en las corrientes de los fluidos. Los intercambiadores tubulares se diseñan de acuerdo con diversos estándares y códigos, tales como los Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA) y el ASMEAPI Unfired Pressure Vessel Code.

Cuando se diseña un intercambiador, se deben tomar muchas decisiones —algunas de ellas arbitrarias— para especificar los materiales de construcción, el diámetro del tubo, el espaciado de los deflectores, el número de pasos y así sucesivamente. También se deben asumir ciertas restricciones. Por ejemplo, un fluido de alta velocidad dentro de tubos pequeños lleva a mejorar los coeficientes de transferencia de calor, pero incrementa las pérdidas por fricción y los costos de bombeo. El diseño de un intercambiador individual se puede optimizar por medio de un procedimiento formal para balancear el área de transferencia de calor y de allí el precio del equipo y los costos fijos, contra el costo de energía para bombear los fluidos. Sin embargo, en plantas procesadoras, los intercambiadores forman parte de una compleja red de equipos de transferencia de calor, y es la red, no las unidades individuales, la que se optimiza para lograr la mínima inversión y los menores costos operativos.

ESQUEMA:

Intercambiadores de calor de carcasa y tubos:

Condensador tubular de un solo paso (o paso simple):

A, tubos;
B1, B2, placas tubulares
C, carcasa
D1, D2, canales
E1, E2, tapaderas
F, entrada de vapor
G, salida del condensado
H, entrada de líquido frío
J, salida de líquido caliente
K, purga de gas no condensado.

Consiste esencialmente en un conjunto de tubos paralelos A, cuyos extremos terminan en las placas tubulares B1 y B2. El conjunto de tubos se encuentra dentro de una coraza cilíndrica C y está provista de dos canalizaciones D1 y D2, una en cada extremo, y dos tapaderas E1 y E2. Vapor de agua, u otro vapor, se introduce a través de la boquilla F en el espacio del lado de la coraza que rodea a los tubos, el condensado es retirado a través de la conexión G, y cualquier gas no condensable que pudiese estar presente al echar a andar el equipo o que pudiese entrar con el vapor condensable se retira del sistema a través de la purga K. La conexión G conduce a una trampa de vapor, que es un dispositivo que permite que el líquido fluya pero en cambio retiene el vapor. El fluido que ha de calentarse se bombea a través de la conexión H hacia el interior del canal D2 . Fluye a través de los tubos hasta el canal D1 y finalmente descarga por la conexión J. Los dos fluidos están físicamente separados pero están en contacto térmico con las delgadas paredes metálicas de los tubos que los separan. El calor fluye a través de las paredes de los tubos desde el vapor condensante hasta el fluido más frío que circula por los tubos.

Intercambiador de paso simple 1-1 a contracorriente:

A, placas deflectoras
B, tubos
C, varillas guía
D, placas tubulares
E, tubos espaciadores.

Las placas deflectoras A son discos circulares de chapa metálica seccionada en un lado. En la práctica común, esta sección es un segmento circular de altura igual a la cuarta parte del diámetro interior de la coraza. Tales placas reciben el nombre de placas deflectoras del 25%. Las placas también están perforadas para recibir los tubos. Para minimizar las fugas, el espacio entre las placas, la coraza y los tubos ha de ser muy pequeña. Las placas están soportadas por una o más varillas guía C, que se fijan entre las placas tubulares D y D′ mediante tornillos de presión. Con el fin de fijar las placas deflectoras en su sitio, se introducen en la varilla C pequeños segmentos de tubo E, entre dichas placas. Para el montaje de un intercambiador de este tipo es preciso colocar primero las placas tubulares, las varillas de soporte, los espaciadores y las placas deflectoras y, posteriormente, instalar los tubos.

Intercambiadores de tipo placa:

Para muchas aplicaciones de la transferencia de calor entre fluidos a temperatura y presión moderadas, una alternativa para los intercambiadores de coraza y tubos son los de placas acanaladas, que constan de muchas placas acanaladas de acero inoxidable separadas por juntas o empaques, fijadas en un armazón de acero. Los portales interiores y ranuras de entrada en las arandelas dirigen el fluido frío y caliente en los espacios alternados entre las placas. Las canalizaciones inducen turbulencia para mejorar la transferencia de calor y cada placa está soportada por contactos múltiples con las placas contiguas, que tienen un patrón o ángulo de canalización diferente. El espacio entre las placas es igual a la profundidad de las canalizaciones y es generalmente de 2 a 5 mm. En la figura se muestra un diseño típico de un intercambiador de placas.

Intercambiador de calor de doble tubo:

Dos tubos concéntricos de diferente diámetro, donde el producto circula por el tubo interior y el servicio lo hacen por el espacio que existe entre ambos tubos.

Intercambiador de superficie ampliada o con aletas:

El uso de aletas o superficies ampliadas en el exterior de la pared del tubo de un intercambiador de calor para obtener coeficientes de transferencia relativamente altos, es una práctica muy común. El radiador de un automóvil es un ejemplo clásico que consiste en la circulación de agua caliente a través de una batería de tubos, donde se pierde calor y se transfiere al aire. Las superficies ampliadas del exterior de los tubos reciben el calor de las paredes de los tubos y lo trasmiten al aire por convección forzada.

CLASIFICACION:

Clasificación según el contacto entre los fluidos:

Los intercambios más importantes suelen ser los intercambiadores llamados de superficie en los cuales el intercambio de calor se produce a través de una pared metálica que separa el fluido caliente del fluido frío.

Tubos concéntricos:

En el intercambiador de tubos concéntricos que estamos considerando, se dispone un sistema donde un fluido circula por el interior de un tubo. En este escenario el flujo caliente entra desde la izquierda, adentrándose en el tubo más pequeño, mientras que el fluido frío accede desde el lado opuesto, fluyendo por la carcasa exterior del tubo de mayor diámetro y rodeando al tubo interno. Esta configuración permite que la transferencia de calor se efectúe entre el interior y el exterior del tubo más pequeño.

Carcasa y tubos:

En el intercambiador de carcasa y tubos, donde en lugar de contar con un único tubo en el interior de la carcasa, se implementa un número determinado de tubos. A medida que se incrementa la cantidad de tubos, la capacidad de transmisión de calor aumenta proporcionalmente. En esta configuración, un fluido circula dentro de los tubos, representados en amarillo en la figura, mientras que otro fluido se desplaza tanto dentro de la carcasa, coloreada en azul, como alrededor del conjunto de tubos.

Este tipo de intercambiador el intercambiador de carcasa y tubos es con mucho el intercambiador más empleado en la industria.

Placas:

El segundo tipo de intercambiador más comúnmente utilizado es el de placas, donde el contacto entre el fluido caliente y el fluido frío se produce a través de las paredes planas de placas dispuestas en paralelo. En este diseño, varias placas están dispuestas de manera paralela, y tanto el flujo caliente como el flujo frío atraviesan ambas caras de cada placa. Se configura un circuito en el interior del intercambiador de manera que los flujos caliente y frío siempre están en ambas caras de una placa, permitiendo que el intercambio de calor se establezca entre ambos fluidos.

Espiral:

Un caso particular o una variante evolucionada de este intercambiador de placas es el intercambiador en espiral, en el cual dos de las placas del intercambiador de placas se enrollan formando una espiral. Esta disposición crea dos espacios entre las placas por los cuales circulan los fluidos caliente y frío. En la representación gráfica, el fluido caliente, como se ilustra en la figura, ingresa desde la parte inferior y en el centro de la espiral, fluyendo a través de uno de los espacios entre las placas hacia la periferia. Mientras tanto, el fluido frío entra desde la periferia, circulando por el otro espacio entre las placas y avanzando hacia el centro de la espiral dentro del intercambiador.

Intercambiadores de mezcla:

Un tipo menos común de intercambiador es el intercambiador de mezcla, que facilita el contacto directo entre el fluido caliente y el fluido frío. Un ejemplo notable de este tipo de intercambiador se encuentra en las torres de refrigeración húmedas.

Las torres de refrigeración:

Como se ilustra en la fotografía, son comúnmente observadas en centrales térmicas y nucleares. En estas torres, la estructura principal funciona como una gran chimenea que propicia el desplazamiento del aire frío, utilizado para enfriar el agua que, a su vez, cumple la función de refrigerar el ciclo de vapor. Este diseño permite un contacto directo entre el aire y el agua, facilitando así el intercambio térmico.

Depósito de mezcla:

Otro ejemplo de intercambiador de mezcla son los depósitos de mezcla. En este caso, se lleva a cabo un intercambio de calor directo entre vapor de agua y agua líquida fría, mediante la mezcla directa en este depósito. Aunque este tipo de intercambiadores, excepto en las torres de refrigeración húmedas y en ciertos contextos de cavidades de mezclado, no se emplean con frecuencia.

Clasificación según la orientación de los fluidos:

Flujo Paralelo:

Otro tipo de criterio que podemos utilizar para clasificar los intercambiadores es según la orientación relativa que tienen los fluidos.

En primer lugar, los intercambiadores, especialmente los de carcasa y tubos, así como los de placas, generalmente presentan un flujo paralelo. Esto se debe a que tanto el tubo como la carcasa tienen una dirección predominante, ambas paralelas. En este contexto, existen dos posibilidades en cuanto a la dirección del flujo: que ambos evolucionen en la misma dirección y sentido, es decir, si introducimos los dos fluidos por la misma, hablamos de un intercambiador en corriente. Por otro lado, si los fluidos se introducen por lados opuestos, pero ambos circulan en la misma dirección, aunque en sentido contrario, se denomina intercambiador contracorriente.

Existen situaciones en las cuales se prefiere diseñar un circuito dentro del intercambiador de manera que el fluido caliente, por ejemplo, que circula dentro de los tubos, recorra el intercambiador de izquierda a derecha y luego se le obligue a volver de derecha a izquierda antes de salir por el mismo lado. En este caso, hablamos de intercambiadores de varios pasos, tanto por los tubos como por la carcasa. Este diseño tiene la ventaja de que la entrada y salida del fluido caliente se realizan por el mismo lado del intercambiador, lo que puede facilitar la planificación del circuito en la instalación.

Flujo Cruzado:

Ambos Fluidos sin mezclar:

Los intercambiadores de flujo cruzado constituyen otro tipo significativo. En este caso, se dispone de una batería de tubos, como se muestra en ambas representaciones de la figura, y el flujo que circula por el exterior de los tubos y no progresa de manera paralela, sino de forma perpendicular, lo que justifica la denominación de "flujo cruzado". En estos intercambiadores, es común observar que la batería de tubos esté expuesta externamente o que cuente con aletas, especialmente en aplicaciones que involucran aire, con el propósito de aumentar el área expuesta al flujo externo, mejorando así la transmisión de calor.

Con un fluido mezclado:

Desde el punto de vista del diseño del intercambiador, estos dos tipos se comportan de manera distinta. En el caso de la izquierda, el fluido caliente que circula por fuera de los tubos tiene libertad de movimiento dentro del intercambiador. En cambio, en el caso de la derecha, el fluido que se desplaza por la parte externa de los tubos debe pasar entre dos placas, lo que limita su libertad de movimiento dentro del intercambiador. Esta diferencia afecta ligeramente el rendimiento y el comportamiento del intercambiador.

En el otro caso se dice que el intercambiador trabaja con los dos fluidos y mezclar porque tanto el fluido que va por dentro de los tubos como el que va por fuera de los tubos no tienen libertad de movimientos dentro del intercambiador en el caso de la izquierda se habla de un intercambiador con un fluido mezclado que es el que va por fuera de los tubos que sí que tiene libertad de movimientos dentro del intercambiador y un fluido sin mezclar que sería el fluido que va por dentro de los tubos.

APLICACIONES EN LA INDUSTRIA:

Industria de Petróleo:

En las refinerías, los intercambiadores de calor se utilizan para enfriar y condensar vapores, así como para calentar fluidos en diversas etapas del proceso de refinación.

Industria Química:

En la producción de productos químicos, los intercambiadores de calor se utilizan para controlar las temperaturas en diversas etapas del proceso, así como para condensar y evaporar productos químicos.

Industria Alimentaria:

En la industria alimentaria , los intercambiadores de calor se utilizan para pasteurizar, esterilizar, enfriar o calentar productos.

Alguno de los ejemplos mas claros son:

Compotas/mermeladas
Calentamiento para reducir la viscosidad del producto
Calentamiento/refrigeración
Salsas
Calentamiento para reducir la viscosidad del producto
Esterilización (SEP, SIP)
Pasteurización
Pescados y mariscos
Enfriamiento
Esterilización
Productos de carne / comida preparada
Calentamiento/refrigeración
Recuperación de energía en los mataderos
Recuperación de grasas y proteínas

Industria Farmacéutica:

En la producción de medicamentos y productos farmacéuticos, los intercambiadores de calor se utilizan para controlar las temperaturas en las reacciones químicas, así como para la esterilización de equipos y productos.

Industria Metalúrgica:

En la fundición y procesos metalúrgicos, los intercambiadores de calor se utilizan para enfriar metales fundidos y controlar las temperaturas en diferentes etapas del proceso.

Industria del Papel:

En la fabricación de papel, los intercambiadores de calor se utilizan para controlar las temperaturas en los procesos de secado y para recuperar calor de los sistemas de vapor.

Industria del Plástico:

En la producción de plásticos, los intercambiadores de calor se utilizan para enfriar polímeros fundidos antes de procesarlos en formas específicas.

Industria Textil:

En la fabricación de textiles, los intercambiadores de calor se utilizan para controlar las temperaturas en procesos de teñido y acabado.

Industria de la coquería:

Sirven para enfriar las emulsiones resultantes del lavado del gas de coque, con el fin de optimizar el funcionamiento de la instalación.

CONCLUSION:

Como grupo llegamos a concluir que los intercambiadores de calor son componentes esenciales en las operaciones unitarias y juegan un papel crucial en diversos procesos industriales. Su importancia radica en su capacidad para transferir energía térmica entre corrientes, permitiendo el calentamiento, enfriamiento y recuperación de calor en diferentes etapas del proceso. Estos equipos son fundamentales en numerosas industrias, como la química, petroquímica, alimentos y bebidas, y energía, entre otras. Permiten la optimización de las temperaturas en distintas etapas del proceso, lo que contribuye a mejorar la calidad de los productos y la eficiencia general de las operaciones unitarias. Además, los intercambiadores de calor desempeñan un papel crucial en la eficiencia energética de los procesos industriales. Al facilitar la transferencia de calor entre fluidos y permitir la recuperación de calor residual, se reduce la cantidad de energía necesaria para llevar a cabo las operaciones unitarias. Esto se traduce en un ahorro de recursos, ya que se puede aprovechar la energía térmica de manera más eficiente, reduciendo así la necesidad de consumir recursos adicionales. La eficiente transferencia de calor proporcionada por los intercambiadores de calor también puede resultar en una reducción significativa de los costos operativos. Al mejorar la eficiencia energética y reducir el consumo de recursos, contribuyen a la sostenibilidad ambiental al minimizar las emisiones de gases de efecto invernadero y otros impactos ambientales negativos asociados con el uso excesivo de energía. De esta manera sabemos que es importante seleccionar el tipo adecuado de intercambiador de calor para cada aplicación, considerando las características de los fluidos, las condiciones operativas y los objetivos del proceso.