Intercambiadores de calor

Los intercambiadores de calor son dispositivos que transfieren calor entre dos o más fluidos de diferentes temperaturas, como líquidos, vapores o gases. El proceso de transferencia de calor puede ser de gas a gas, de líquido a gas o de líquido a líquido.

Además, el calor puede pasar a través de un separador de sólidos, que evita que los fluidos se mezclen, o mediante el contacto directo de los fluidos, según el tipo de intercambiador de calor utilizado.

Otras características de diseño, que incluyen materiales y componentes de construcción, procesos de transferencia de calor y configuraciones de flujo, ayudan a clasificar y categorizar los muchos tipos de intercambiadores de calor.

Se diseñan y fabrican una gama diversificada de dispositivos de intercambio de calor para su uso en procesos de calefacción y refrigeración. Por lo tanto, se les puede usar en una amplia gama de sectores.

A continuación, profundizamos en los diferentes tipos y diseños de intercambiadores de calor, así como sus funciones y mecanismos. También exploramos los factores a considerar al elegir un intercambiador de calor.

¿Qué es un intercambiador de calor?

Un intercambiador de calor, es un dispositivo que transfiere calor de un medio a otro. Por ejemplo, un enfriador de aceite hidráulico eliminará el calor del aceite calentado utilizando agua fría o aire. Los que se usan en las piscinas, por otro lado, calientan el agua de la piscina utilizando agua caliente de una caldera, o un circuito de agua calentado por energía solar.

El calor se transporta por conducción a través de los materiales del intercambiador que dividen los medios. Un intercambiador de calor de carcasa y tubos enfría un líquido haciéndolo pasar a través y sobre tubos, mientras que un intercambiador de calor enfriado por aire lo enfría haciendo pasar aire frío a través de un núcleo de aletas.

¿Cómo funcionan los intercambiadores de calor?

Los intercambiadores de calor, que están hechos de carcasas y tubos metálicos, transportan el calor de un lugar a otro. Los subproductos de escape o combustión, también conocidos como gases de combustión, ingresan y viajan a través del intercambiador de calor cuando un horno consume gas natural o combustible propano.

A medida que el gas caliente llega a la salida de escape del horno, calienta el metal. A su vez, el metal caliente trasfiere el calor al aire que pasa por el exterior del intercambiador de calor mientras esto sucede.

¿En dónde se utilizan los intercambiadores de calor?

Los intercambiadores de calor son dispositivos que se utilizan para operaciones de calefacción y refrigeración en diferentes industrias. Los puedes encontrar en una amplia gama de formas y tamaños, y se utilizan en una variedad de sectores, que incluyen:

  • Automóviles
  • Cervecerías
  • Criogénicos
  • Refrigeración
  • Generación de energía

Características de diseño de los intercambiadores de calor

Todos los intercambiadores de calor funcionan con los mismos principios básicos de las Leyes de la Termodinámica. Sin embargo, según sus características de diseño, estos dispositivos se pueden clasificar y categorizar de diversas formas.

Las siguientes son las cualidades principales que se pueden utilizar para clasificar los intercambiadores de calor:

Configuración de flujo

La configuración de flujo de un intercambiador de calor, también conocida como disposición de flujo, es la dirección de movimiento de los fluidos dentro del intercambiador de calor entre sí.

Los intercambiadores de calor se utilizan en cuatro configuraciones de flujo diferentes:

  • Flujo concurrente
  • Flujo cruzado
  • Flujo híbrido
  • Flujo en contracorriente

Método de construcción

Los intercambiadores de calor se clasificaron previamente según el tipo de disposición de flujo utilizada; sin embargo, en esta sección, se clasifican en función de su construcción. Las siguientes son las características de construcción que se pueden utilizar para clasificar estos dispositivos:

  • Tipos de componentes y materiales usados
  • Recuperador vs regenerador
  • Estático vs dinámico
  • Directo vs indirecto

Mecanismo de transferencia de calor

Otra forma de clasificar los intercambiadores de calor es mediante el mecanismo de transferencia de calor. Los intercambiadores de calor utilizan uno de dos tipos de mecanismos de transferencia de calor: transferencia de calor monofásica o bifásica.

Los fluidos en los intercambiadores de calor monofásicos no cambian de fase durante el proceso de transferencia de calor. Esto significa que tanto los fluidos más cálidos, como los más fríos, permanecen en el mismo estado de materia que cuando ingresaron por primera vez al intercambiador de calor.

En aplicaciones de transferencia de calor de líquido a líquido, por ejemplo, el agua más caliente pierde calor, que posteriormente se transfiere al agua más fría sin convertirse en gas o sólido.

Los fluidos en los intercambiadores de calor de dos fases, por otro lado, experimentan un cambio de fase a lo largo del proceso de transferencia de calor. El cambio de fase puede ocurrir en uno o ambos fluidos, dando como resultado una transición de líquido a gas o de gas a líquido.

Los intercambiadores con un mecanismo de transferencia de calor de dos fases normalmente requieren consideraciones de diseño más complejas que aquellos con un mecanismo de transferencia de calor de una sola fase. Las calderas, condensadores y evaporadores son solo algunos ejemplos de intercambiadores de calor de dos fases.

Tipos de intercambiadores de calor

Existen versiones distintas de intercambiadores de calor basadas en las características de diseño mencionadas anteriormente. Las siguientes son algunas de las variaciones más comunes utilizadas en la industria:

Intercambiadores de calor de carcasa y tubos

Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos son el tipo más común de intercambiador de calor. Constan de un solo tubo o una serie de tubos paralelos encerrados dentro de un recipiente de presión cilíndrico sellado, es decir, la carcasa.

En este tipo de intercambiadores de calor, el fluido viaja a través de los tubos más pequeños, mientras que el otro fluye alrededor de su exterior y entre ellos dentro de la carcasa sellada.

Tubos con aletas, transferencia de calor monofásica o bifásica, flujo a contracorriente, flujo a contracorriente, o configuraciones de flujo cruzado, y configuraciones de paso único, son algunas de las otras características de diseño disponibles para este tipo de intercambiador de calor.

Intercambiadores de calor de doble tubo

Los intercambiadores de calor de doble tubo son un tipo de intercambiador de calor de carcasa y tubos que utilizan el diseño y la estructura más simples del intercambiador de calor. Constan de dos o más tubos concéntricos y cilíndricos (un tubo más grande y uno o más tubos más pequeños).

En este caso, un fluido pasa a través de los tubos más pequeños mientras que el otro fluye alrededor de los tubos más pequeños dentro del tubo más grande. Lo anterior de acuerdo con el diseño del intercambiador de calor de carcasa y tubos.

Debido a que los fluidos permanecen separados y fluyen a través de sus propios canales durante todo el proceso de transferencia de calor, los requisitos de diseño de los intercambiadores de calor de doble tubo incluyen características de los tipos de contacto indirecto y recuperador indicados anteriormente.

Los intercambiadores de calor de doble tubo, por otro lado, ofrecen cierta libertad de diseño, ya que pueden construirse con arreglos de flujo en paralelo o en contracorriente y emplearse en combinaciones en serie, paralelo o serie-paralelo dentro de un sistema.

Intercambiadores de calor de placas

Los intercambiadores de calor de placas, están formados por múltiples placas onduladas delgadas que se agrupan. Cada par de placas produce un canal para que fluya un fluido, y los pares se apilan y conectan (atornillando, soldando o soldando) para crear un segundo paso que permita que el flujo del otro líquido.

Hay algunas modificaciones en el diseño de placa típico, como los intercambiadores de calor de placa de aleta o de placa de almohadilla. Las aletas o espaciadores entre placas se utilizan en intercambiadores de aletas de placas, que permiten diferentes configuraciones de flujo y más de dos corrientes de fluido pasan a través del dispositivo.

Los intercambiadores de placas tipo almohadilla aplican presión sobre las placas para mejorar la transferencia de calor sobre la superficie de la misma.

Calderas, condensadores y evaporadores

Se utiliza un mecanismo de transferencia de calor de dos fases en calderas, condensadores y evaporadores. Como se indicó anteriormente, uno o más fluidos en los intercambiadores de calor de dos fases cambian de fase a lo largo del proceso de transferencia de calor, ya sea de líquido a gas o de gas a líquido.

Los condensadores son dispositivos de intercambio de calor que enfrían un gas o vapor calentado hasta el punto de condensación, convirtiéndolo en líquido. El proceso de transmisión de calor en evaporadores y calderas, por otro lado, convierte los líquidos en gases o vapores.

¿Qué tener en cuenta al escoger un intercambiador de calor?

Si bien existen muchos tipos diferentes de intercambiadores de calor, el ideal de cada tipo y su diseño para transferir calor entre fluidos, está determinado por los estándares y requisitos de la aplicación.

Todos estos aspectos tienen un impacto significativo en el diseño ideal del intercambiador de calor requerido, así como en los cálculos de clasificación y tamaño. En consecuencia, al desarrollar y seleccionar un intercambiador de calor, los profesionales de la industria deben considerar los siguientes factores:

  • El tipo y transmisión de fluidos, así como sus propiedades.
  • Las limitaciones en cuanto al tamaño.
  • Las salidas térmicas requeridas.
  • Los costos.
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