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:
BIBLIOGRAFIA:
https://www.cofrico.com/consejos-tecnicos/tipos-de-intercambiadores-de-calor/
https://www.barriquand.com/es/intercambiador-calor-aplicaciones/
https://blog.froztec.com/aplicaciones-del-intercambiador-de-calor-en-la-industria-metalurgica
https://laygo.es/aplicaciones/
https://www.nexson-group.com/es/aplicaciones/industria-quimica/
