Un intercambiador de calor es un sistema utilizado para transferir calor entre una fuente y un fluido de trabajo . Los intercambiadores de calor se utilizan tanto en procesos de refrigeración como de calefacción. [1] Los fluidos pueden estar separados por una pared sólida para evitar que se mezclen o pueden estar en contacto directo. [2] Se utilizan ampliamente en calefacción de espacios , refrigeración , aire acondicionado , centrales eléctricas , plantas químicas , plantas petroquímicas , refinerías de petróleo , procesamiento de gas natural y tratamiento de aguas residuales . El ejemplo clásico de un intercambiador de calor se encuentra en un motor de combustión interna en el que un fluido circulante conocido como refrigerante del motor fluye a través de los serpentines del radiador y el aire pasa por los serpentines, lo que enfría el refrigerante y calienta el aire entrante . Otro ejemplo es el disipador de calor , que es un intercambiador de calor pasivo que transfiere el calor generado por un dispositivo electrónico o mecánico a un medio fluido, a menudo aire o un refrigerante líquido. [3]
Hay tres clasificaciones principales de intercambiadores de calor según su disposición de flujo. En los intercambiadores de calor de flujo paralelo , los dos fluidos ingresan al intercambiador por el mismo extremo y viajan en paralelo hacia el otro lado. En los intercambiadores de calor a contracorriente, los fluidos ingresan al intercambiador desde extremos opuestos. El diseño a contracorriente es el más eficiente, ya que puede transferir la mayor cantidad de calor del medio (transferencia) de calor por unidad de masa debido al hecho de que la diferencia de temperatura promedio a lo largo de cualquier unidad de longitud es mayor . Véase intercambio contracorriente . En un intercambiador de calor de flujo cruzado , los fluidos viajan aproximadamente perpendiculares entre sí a través del intercambiador.
Para lograr eficiencia, los intercambiadores de calor están diseñados para maximizar el área de superficie de la pared entre los dos fluidos, mientras minimizan la resistencia al flujo de fluido a través del intercambiador. El rendimiento del intercambiador también puede verse afectado por la adición de aletas u corrugaciones en una o ambas direcciones, que aumentan el área de superficie y pueden canalizar el flujo de fluido o inducir turbulencia.
La temperatura de conducción a través de la superficie de transferencia de calor varía con la posición, pero se puede definir una temperatura media apropiada. En la mayoría de los sistemas simples, esta es la " diferencia de temperatura media logarítmica " (LMTD). A veces no se dispone del conocimiento directo del LMTD y se utiliza el método NTU .
Los intercambiadores de calor de doble tubo son los intercambiadores más simples utilizados en la industria. Por un lado, estos intercambiadores de calor son económicos tanto en diseño como en mantenimiento, lo que los convierte en una buena opción para las pequeñas industrias. Por otro lado, su baja eficiencia, sumada al gran espacio ocupado a gran escala, ha llevado a las industrias modernas a utilizar intercambiadores de calor más eficientes, como los de carcasa y tubos o de placas. Sin embargo, dado que los intercambiadores de calor de doble tubo son simples, se utilizan para enseñar a los estudiantes los conceptos básicos del diseño de intercambiadores de calor, ya que las reglas fundamentales para todos los intercambiadores de calor son las mismas.
1. Intercambiador de calor de doble tubo
Cuando un fluido fluye a través de la tubería más pequeña, el otro fluye a través del espacio anular entre las dos tuberías. Estos flujos pueden ser paralelos o en contracorriente en un intercambiador de calor de doble tubo.
(a) Flujo paralelo, donde tanto el líquido frío como el caliente entran al intercambiador de calor por el mismo lado, fluyen en la misma dirección y salen por el mismo extremo. Esta configuración es preferible cuando se pretende que los dos fluidos alcancen exactamente la misma temperatura, ya que reduce el estrés térmico y produce una tasa de transferencia de calor más uniforme.
(b) Contraflujo, donde los fluidos fríos y calientes entran en lados opuestos del intercambiador de calor, fluyen en direcciones opuestas y salen por extremos opuestos. Esta configuración es preferible cuando el objetivo es maximizar la transferencia de calor entre los fluidos, ya que crea un diferencial de temperatura mayor cuando se usa en condiciones similares. [ cita necesaria ]
La figura anterior ilustra las direcciones de flujo paralelo y contraflujo del intercambiador de fluidos.
2. Intercambiador de calor de carcasa y tubos
En un intercambiador de calor de carcasa y tubos, dos fluidos a diferentes temperaturas fluyen a través del intercambiador de calor. Uno de los fluidos fluye a través del lado del tubo y el otro fluido fluye fuera de los tubos, pero dentro de la carcasa (lado de la carcasa).
Se utilizan deflectores para soportar los tubos, dirigir el flujo de fluido a los tubos de una manera aproximadamente natural y maximizar la turbulencia del fluido de la carcasa. Hay muchos tipos diferentes de deflectores, y la elección de la forma, el espaciado y la geometría de los deflectores depende del caudal permitido de la caída de la fuerza del lado de la carcasa, la necesidad de soporte del tubo y las vibraciones inducidas por el flujo. Hay varias variaciones de intercambiadores de carcasa y tubos disponibles; las diferencias radican en la disposición de las configuraciones de flujo y los detalles de la construcción.
En aplicaciones para enfriar aire con tecnología de carcasa y tubos (como intercooler / enfriador de aire de carga para motores de combustión ), se pueden agregar aletas en los tubos para aumentar el área de transferencia de calor en el lado del aire y crear una configuración de tubos y aletas.
3. Intercambiador de calor de placas
Un intercambiador de calor de placas contiene una cantidad de placas de transferencia de calor de forma delgada agrupadas. La disposición de juntas de cada par de placas proporciona un sistema de dos canales separados. Cada par de placas forma un canal por donde puede fluir el fluido. Los pares se unen mediante métodos de soldadura y atornillado. A continuación se muestran los componentes del intercambiador de calor.
En canales individuales, la configuración de las juntas permite el flujo. Por lo tanto, esto permite que los medios principal y secundario fluyan en contracorriente. Un intercambiador de calor de placas con juntas tiene una región térmica de placas corrugadas. Las juntas funcionan como sello entre placas y están ubicadas entre el marco y las placas de presión. El fluido fluye en dirección contracorriente a través del intercambiador de calor. Se produce un rendimiento térmico eficiente. Las placas se fabrican en diferentes profundidades, tamaños y formas onduladas. Hay diferentes tipos de placas disponibles, incluidos los intercambiadores de calor de placa y marco, de placa y carcasa y de placas en espiral. La zona de distribución garantiza el flujo de fluido a toda la superficie de transferencia de calor. Esto ayuda a prevenir áreas estancadas que pueden causar acumulación de material no deseado en superficies sólidas. La alta turbulencia de flujo entre placas da como resultado una mayor transferencia de calor y una disminución de la presión.
4. Condensadores y calderas Los intercambiadores de calor que utilizan un sistema de transferencia de calor de dos fases son condensadores, calderas y evaporadores. Los condensadores son instrumentos que toman y enfrían gas o vapor caliente hasta el punto de condensación y transforman el gas en forma líquida. El punto en el que el líquido se transforma en gas se llama vaporización y viceversa se llama condensación. El condensador de superficie es el tipo más común de condensador que incluye un dispositivo de suministro de agua. La Figura 5 a continuación muestra un condensador de superficie de dos pasos.
La presión del vapor a la salida de la turbina es baja cuando la densidad del vapor es muy baja y cuando el caudal es muy alto. Para evitar una disminución de presión en el movimiento del vapor desde la turbina al condensador, la unidad del condensador se coloca debajo y se conecta a la turbina. Dentro de los tubos, el agua de refrigeración corre de forma paralela, mientras que el vapor se mueve en posición vertical hacia abajo desde la amplia abertura en la parte superior y viaja a través del tubo. Además, las calderas se clasifican como aplicación inicial de los intercambiadores de calor. La palabra generador de vapor se utilizaba habitualmente para describir una unidad de caldera en la que una corriente de líquido caliente es la fuente de calor en lugar de los productos de combustión. Dependiendo de las dimensiones y configuraciones se fabrican las calderas. Algunas calderas sólo son capaces de producir fluido caliente, mientras que otras están fabricadas para la producción de vapor.
Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos constan de una serie de tubos que contienen un fluido que debe calentarse o enfriarse. Un segundo fluido corre sobre los tubos que se están calentando o enfriando para que pueda proporcionar el calor o absorber el calor necesario. Un conjunto de tubos se denomina haz de tubos y puede estar formado por varios tipos de tubos: lisos, con aletas longitudinales, etc. Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos se utilizan normalmente para aplicaciones de alta presión (con presiones superiores a 30 bar y temperaturas superiores superior a 260 °C). [4] Esto se debe a que los intercambiadores de calor de carcasa y tubos son robustos debido a su forma.
Se deben considerar varias características de diseño térmico al diseñar los tubos en los intercambiadores de calor de carcasa y tubos: Puede haber muchas variaciones en el diseño de carcasa y tubos. Normalmente, los extremos de cada tubo están conectados a cámaras impelentes (a veces llamadas cajas de agua) a través de orificios en las placas de tubos. Los tubos pueden ser rectos o doblados en forma de U, llamados tubos en U.
Los intercambiadores de calor de tubo fijo enfriados por líquido, especialmente adecuados para aplicaciones marinas y hostiles, se pueden ensamblar con carcasas de latón, tubos de cobre, deflectores de latón y cubos finales integrales de latón forjado. [ cita necesaria ] (Ver: Cobre en intercambiadores de calor ).
Otro tipo de intercambiador de calor es el intercambiador de calor de placas . Estos intercambiadores se componen de muchas placas delgadas, ligeramente separadas, que tienen superficies muy grandes y pequeños conductos de flujo de fluido para la transferencia de calor. Los avances en la tecnología de juntas y soldadura fuerte han hecho que el intercambiador de calor de placas sea cada vez más práctico. En aplicaciones HVAC , los grandes intercambiadores de calor de este tipo se denominan de placa y marco ; Cuando se utilizan en circuitos abiertos, estos intercambiadores de calor normalmente son del tipo junta para permitir el desmontaje, la limpieza y la inspección periódicos. Hay muchos tipos de intercambiadores de calor de placas unidas permanentemente, como las variedades de placas soldadas por inmersión, soldadas al vacío y soldadas, y a menudo se especifican para aplicaciones de circuito cerrado como la refrigeración . Los intercambiadores de calor de placas también difieren en los tipos de placas que se utilizan y en las configuraciones de esas placas. Algunas placas pueden tener estampados "chevron", hoyuelos u otros patrones, mientras que otras pueden tener aletas y/o ranuras mecanizadas.
En comparación con los intercambiadores de carcasa y tubos, la disposición de placas apiladas suele tener un volumen y un coste menores. Otra diferencia entre los dos es que los intercambiadores de placas normalmente sirven fluidos de presión baja a media, en comparación con presiones medias y altas de carcasa y tubos. Una tercera e importante diferencia es que los intercambiadores de placas emplean más flujo en contracorriente en lugar de flujo de corriente cruzada, lo que permite menores diferencias de temperatura de aproximación, altos cambios de temperatura y mayores eficiencias.
Un tercer tipo de intercambiador de calor es el de placas y carcasa, que combina tecnologías de intercambiador de calor de placas con tecnologías de intercambiador de calor de carcasa y tubos. El corazón del intercambiador de calor contiene un paquete de placas circulares completamente soldadas que se obtienen presionando y cortando placas redondas y soldándolas entre sí. Las boquillas transportan el flujo dentro y fuera del paquete de placas (la ruta de flujo del 'lado de la placa'). El paquete de placas completamente soldado se ensambla en una carcasa exterior que crea una segunda ruta de flujo (el "lado de la carcasa"). La tecnología de placa y carcasa ofrece alta transferencia de calor, alta presión, alta temperatura de funcionamiento , tamaño compacto, baja contaminación y temperatura de aproximación cercana. En particular, prescinde completamente de juntas, lo que proporciona seguridad contra fugas a altas presiones y temperaturas.
Un cuarto tipo de intercambiador de calor utiliza un fluido intermedio o un depósito sólido para retener el calor, que luego se mueve al otro lado del intercambiador de calor para liberarlo. Dos ejemplos de esto son las ruedas adiabáticas, que consisten en una rueda grande con hilos finos que giran a través de fluidos fríos y calientes, y los intercambiadores de calor de fluidos.
Este tipo de intercambiador de calor utiliza conductos "intercalados" que contienen aletas para aumentar la eficacia de la unidad. Los diseños incluyen flujo cruzado y contraflujo junto con varias configuraciones de aletas, como aletas rectas, aletas desplazadas y aletas onduladas.
Los intercambiadores de calor de placas y aletas suelen estar fabricados de aleaciones de aluminio, que proporcionan una alta eficiencia de transferencia de calor. El material permite que el sistema funcione a una diferencia de temperatura más baja y reduzca el peso del equipo. Los intercambiadores de calor de placas y aletas se utilizan principalmente para servicios de baja temperatura, como plantas de licuefacción de gas natural, helio y oxígeno , plantas de separación de aire e industrias de transporte, como motores de motores y aviones .
Ventajas de los intercambiadores de calor de placas y aletas:
Desventajas de los intercambiadores de calor de placas y aletas:
El uso de aletas en un intercambiador de calor de tubos es común cuando uno de los fluidos de trabajo es un gas de baja presión y es típico de intercambiadores de calor que funcionan con aire ambiente, como radiadores de automóviles y condensadores de aire HVAC . Las aletas aumentan drásticamente la superficie con la que se puede intercambiar calor, lo que mejora la eficiencia de conducir el calor a un fluido con muy baja conductividad térmica , como el aire. Las aletas suelen estar hechas de aluminio o cobre, ya que deben conducir el calor desde el tubo a lo largo de las aletas, que suelen ser muy delgadas.
Los principales tipos de construcción de los intercambiadores de tubos de aletas son:
Se puede utilizar una construcción de aletas apiladas o enrollada en espiral para los tubos dentro de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos cuando se requiere una transferencia térmica de alta eficiencia a un gas.
En la refrigeración de dispositivos electrónicos, los disipadores de calor , en particular los que utilizan tubos de calor , pueden tener una construcción de aletas apiladas.
Un intercambiador de calor de placas tipo almohada se utiliza comúnmente en la industria láctea para enfriar la leche en grandes tanques a granel de acero inoxidable de expansión directa . Casi toda la superficie de un tanque se puede integrar con este intercambiador de calor, sin espacios que se producirían entre las tuberías soldadas al exterior del tanque. Las placas de almohada también se pueden construir como placas planas que se apilan dentro de un tanque. La superficie relativamente plana de las placas permite una fácil limpieza, especialmente en aplicaciones estériles.
La placa de soporte se puede construir utilizando una lámina delgada de metal soldada a la superficie más gruesa de un tanque o recipiente, o dos láminas delgadas soldadas entre sí. La superficie de la placa se suelda con un patrón regular de puntos o un patrón serpentino de líneas de soldadura. Después de soldar, el espacio cerrado se presuriza con fuerza suficiente para hacer que el metal delgado sobresalga alrededor de las soldaduras, proporcionando un espacio para que fluyan los líquidos del intercambiador de calor y creando una apariencia característica de una almohada hinchada formada a partir de metal.
Una unidad de recuperación de calor residual (WHRU) es un intercambiador de calor que recupera calor de una corriente de gas caliente mientras lo transfiere a un medio de trabajo, generalmente agua o aceites. La corriente de gas caliente puede ser el gas de escape de una turbina de gas o de un motor diésel o un gas residual de una industria o una refinería.
Los sistemas grandes con flujos de gas de alto volumen y temperatura, típicos en la industria, pueden beneficiarse del ciclo Rankine de vapor (SRC) en una unidad de recuperación de calor residual, pero estos ciclos son demasiado costosos para sistemas pequeños. La recuperación de calor de sistemas de baja temperatura requiere fluidos de trabajo diferentes al vapor.
Una unidad de recuperación de calor residual de ciclo Rankine orgánico (ORC) puede ser más eficiente en un rango de temperaturas bajas utilizando refrigerantes que hierven a temperaturas más bajas que el agua. Los refrigerantes orgánicos típicos son el amoníaco , el pentafluoropropano (R-245fa y R-245ca) y el tolueno .
La fuente de calor en el evaporador hierve el refrigerante para producir vapor sobrecalentado. Este fluido se expande en la turbina para convertir la energía térmica en energía cinética, que se convierte en electricidad en el generador eléctrico. Este proceso de transferencia de energía disminuye la temperatura del refrigerante que, a su vez, se condensa. El ciclo se cierra y completa mediante una bomba para enviar el fluido de regreso al evaporador.
Otro tipo de intercambiador de calor se denomina " intercambiador de calor de superficie raspada (dinámico) ". Se utiliza principalmente para calentar o enfriar productos de alta viscosidad , procesos de cristalización , evaporación y aplicaciones con alto contenido de incrustaciones . Se logran tiempos de funcionamiento prolongados gracias al raspado continuo de la superficie, evitando así incrustaciones y logrando una tasa de transferencia de calor sostenible durante el proceso.
Además de calentar o enfriar fluidos en una sola fase , los intercambiadores de calor se pueden usar para calentar un líquido para evaporarlo (o hervirlo) o como condensadores para enfriar un vapor y condensarlo en un líquido. En plantas químicas y refinerías , los hervidores utilizados para calentar la alimentación entrante para las torres de destilación suelen ser intercambiadores de calor. [6] [7]
Las instalaciones de destilación suelen utilizar condensadores para condensar los vapores destilados nuevamente en líquido.
Las centrales eléctricas que utilizan turbinas impulsadas por vapor suelen utilizar intercambiadores de calor para hervir agua y convertirla en vapor . Los intercambiadores de calor o unidades similares para producir vapor a partir de agua suelen denominarse calderas o generadores de vapor.
En las plantas de energía nuclear llamadas reactores de agua a presión , grandes intercambiadores de calor especiales pasan calor del sistema primario (planta de reactor) al sistema secundario (planta de vapor), produciendo vapor a partir del agua en el proceso. Estos se llaman generadores de vapor . Todas las centrales nucleares y de combustibles fósiles que utilizan turbinas impulsadas por vapor tienen condensadores de superficie para convertir el vapor de escape de las turbinas en condensado (agua) para su reutilización. [8] [9]
Para conservar energía y capacidad de enfriamiento en plantas químicas y de otro tipo, los intercambiadores de calor regenerativos pueden transferir calor de una corriente que debe enfriarse a otra corriente que debe calentarse, como el enfriamiento de destilados y el precalentamiento de la alimentación del hervidor.
Este término también puede referirse a intercambiadores de calor que contienen un material dentro de su estructura que tiene un cambio de fase. Suele ser una fase de sólido a líquido debido a la pequeña diferencia de volumen entre estos estados. Este cambio de fase actúa efectivamente como un amortiguador porque ocurre a una temperatura constante pero aún permite que el intercambiador de calor acepte calor adicional. Un ejemplo en el que se ha investigado esto es para su uso en electrónica de aviones de alta potencia.
Los intercambiadores de calor que funcionan en regímenes de flujo multifásicos pueden estar sujetos a la inestabilidad de Ledinegg .
Los intercambiadores de calor de contacto directo implican la transferencia de calor entre corrientes frías y calientes de dos fases en ausencia de una pared separadora. [10] Así, dichos intercambiadores de calor pueden clasificarse como:
La mayoría de los intercambiadores de calor de contacto directo pertenecen a la categoría Gas-Líquido, donde el calor se transfiere entre un gas y un líquido en forma de gotas, películas o aerosoles. [4]
Estos tipos de intercambiadores de calor se utilizan predominantemente en plantas de aire acondicionado , humidificación , calentamiento de agua industrial , refrigeración por agua y condensación. [11]
Los intercambiadores de calor de microcanales son intercambiadores de calor de flujo paralelo de múltiples pasos que constan de tres elementos principales: colectores (entrada y salida), tubos multipuerto con diámetros hidráulicos inferiores a 1 mm y aletas. Todos los elementos generalmente se sueldan entre sí mediante un proceso de soldadura fuerte en atmósfera controlable. Los intercambiadores de calor de microcanales se caracterizan por una alta relación de transferencia de calor, bajas cargas de refrigerante, tamaño compacto y menores caídas de presión en el lado del aire en comparación con los intercambiadores de calor de tubos con aletas. [ cita necesaria ] Los intercambiadores de calor de microcanales se utilizan ampliamente en la industria automotriz como radiadores de automóviles y como condensadores, evaporadores y serpentines de refrigeración/calefacción en la industria HVAC.
Los microintercambiadores de calor, los intercambiadores de calor a microescala o los intercambiadores de calor microestructurados son intercambiadores de calor en los que (al menos uno) el fluido fluye en confinamientos laterales con dimensiones típicas inferiores a 1 mm. El confinamiento más típico son los microcanales , que son canales con un diámetro hidráulico inferior a 1 mm. Los intercambiadores de calor de microcanales pueden estar hechos de metal o cerámica. [13] Los intercambiadores de calor de microcanales se pueden utilizar para muchas aplicaciones, entre ellas:
Uno de los usos más amplios de los intercambiadores de calor es para refrigeración y aire acondicionado . Esta clase de intercambiadores de calor se denomina comúnmente serpentines de aire , o simplemente serpentines debido a su tubería interna a menudo serpentina, o condensadores en el caso de la refrigeración , y suelen ser del tipo de tubo con aletas. Los serpentines HVAC de líquido a aire o de aire a líquido suelen tener una disposición de flujo cruzado modificado. En los vehículos, las bobinas térmicas suelen denominarse núcleos calefactores .
En el lado líquido de estos intercambiadores de calor, los fluidos comunes son agua, una solución de agua y glicol, vapor o un refrigerante . Para la calefacción por serpentines , el agua caliente y el vapor son los más habituales, y este fluido calentado es suministrado por calderas , por ejemplo. Para los serpentines de refrigeración , los más comunes son el agua helada y el refrigerante. El agua enfriada se suministra desde un enfriador que potencialmente está ubicado muy lejos, pero el refrigerante debe provenir de una unidad de condensación cercana. Cuando se utiliza un refrigerante, el serpentín de enfriamiento es el evaporador y el serpentín de calentamiento es el condensador en el ciclo de refrigeración por compresión de vapor . Las bobinas HVAC que utilizan esta expansión directa de refrigerantes se denominan comúnmente bobinas DX . Algunas bobinas DX son del tipo "microcanal". [5]
En el lado del aire de los serpentines HVAC, existe una diferencia significativa entre los que se usan para calefacción y los que se usan para enfriar. Debido a la psicrometría , el aire que se enfría a menudo tiene humedad que se condensa, excepto en el caso de flujos de aire extremadamente secos. Calentar algo de aire aumenta la capacidad de ese flujo de aire para retener agua. Por lo tanto, los serpentines de calefacción no necesitan considerar la condensación de humedad en el lado del aire, pero los serpentines de enfriamiento deben diseñarse y seleccionarse adecuadamente para manejar sus cargas particulares latentes (humedad) así como sensibles (enfriamiento). El agua que se elimina se llama condensado .
En muchos climas, los serpentines HVAC de agua o vapor pueden estar expuestos a condiciones de congelación. Debido a que el agua se expande al congelarse, estos intercambiadores de calor de paredes delgadas, algo costosos y difíciles de reemplazar, pueden dañarse o destruirse fácilmente con una sola congelación. Como tal, la protección contra el congelamiento de las bobinas es una de las principales preocupaciones de los diseñadores, instaladores y operadores de HVAC.
La introducción de muescas colocadas dentro de las aletas de intercambio de calor controló la condensación, permitiendo que las moléculas de agua permanecieran en el aire enfriado. [18]
Los intercambiadores de calor de los hornos de combustión directa , típicos de muchas residencias, no son 'serpentines'. En cambio, son intercambiadores de calor gas-aire que normalmente están hechos de chapa de acero estampada. Los productos de la combustión pasan por un lado de estos intercambiadores de calor, y el aire para calentar por el otro. Por lo tanto, un intercambiador de calor agrietado es una situación peligrosa que requiere atención inmediata porque los productos de la combustión pueden ingresar al espacio habitable.
Aunque los intercambiadores de calor de doble tubo son los más sencillos de diseñar, la mejor opción en los siguientes casos sería el intercambiador de calor de serpentín helicoidal (HCHE):
Estos se han utilizado en la industria nuclear como método para intercambiar calor en un sistema de sodio para grandes reactores reproductores rápidos de metal líquido desde principios de la década de 1970, utilizando un dispositivo HCHE inventado por Charles E. Boardman y John H. Germer. [21] Existen varios métodos simples para diseñar HCHE para todo tipo de industrias manufactureras, como el uso del método Ramachandra K. Patil (et al.) de la India y el método Scott S. Haraburda de los Estados Unidos . [19] [20]
Sin embargo, estos se basan en suposiciones de estimación del coeficiente de transferencia de calor interior, predicción del flujo alrededor del exterior del serpentín y en un flujo de calor constante. [22]
Una modificación del flujo perpendicular del HCHE típico implica la sustitución de la carcasa por otro tubo enrollado, lo que permite que los dos fluidos fluyan paralelos entre sí, y que requiere el uso de diferentes cálculos de diseño. [23] Estos son los intercambiadores de calor en espiral (SHE), que pueden referirse a una configuración de tubo helicoidal (en espiral); de manera más general, el término se refiere a un par de superficies planas que están enrolladas para formar los dos canales en contraflujo. acuerdo. Cada uno de los dos canales tiene un largo camino curvo. Un par de puertos de fluido están conectados tangencialmente a los brazos exteriores de la espiral, y los puertos axiales son comunes, pero opcionales. [24]
La principal ventaja del SHE es su uso altamente eficiente del espacio. Este atributo a menudo se aprovecha y se reasigna parcialmente para obtener otras mejoras en el rendimiento, de acuerdo con compensaciones bien conocidas en el diseño de intercambiadores de calor. (Una compensación notable es el costo de capital frente al costo operativo). Se puede usar un SHE compacto para ocupar menos espacio y, por lo tanto, reducir los costos de capital generales, o se puede usar un SHE de gran tamaño para tener menos caída de presión , menos energía de bombeo y mayor eficiencia térmica y menores costos de energía.
La distancia entre las láminas en los canales en espiral se mantiene mediante el uso de pernos espaciadores que se soldaron antes del laminado. Una vez que se ha enrollado el paquete de espiral principal, se sueldan los bordes superior e inferior alternos y cada extremo se cierra mediante una cubierta plana o cónica con junta atornillada al cuerpo. Esto garantiza que no se produzca ninguna mezcla de los dos fluidos. Cualquier fuga es desde la cubierta periférica a la atmósfera, o a un conducto que contenga el mismo fluido. [25]
Los intercambiadores de calor en espiral se utilizan a menudo para calentar fluidos que contienen sólidos y, por lo tanto, tienden a ensuciar el interior del intercambiador de calor. La baja caída de presión permite que el SHE maneje las incrustaciones más fácilmente. El SHE utiliza un mecanismo de "autolimpieza", mediante el cual las superficies sucias provocan un aumento localizado en la velocidad del fluido, aumentando así el arrastre (o fricción del fluido ) sobre la superficie sucia, ayudando así a desalojar la obstrucción y mantener limpio el intercambiador de calor. "Las paredes internas que forman la superficie de transferencia de calor suelen ser bastante gruesas, lo que hace que el SHE sea muy robusto y capaz de durar mucho tiempo en entornos exigentes". [ cita necesaria ] También se limpian fácilmente, abriéndose como un horno donde cualquier acumulación de suciedad se puede eliminar mediante lavado a presión .
Los filtros de agua autolimpiantes se utilizan para mantener el sistema limpio y funcionando sin necesidad de apagar o reemplazar cartuchos y bolsas.
Hay tres tipos principales de flujos en un intercambiador de calor en espiral:
El intercambiador de calor en espiral es bueno para aplicaciones como pasteurización, calentamiento de digestores, recuperación de calor, precalentamiento (ver: recuperador ) y enfriamiento de efluentes. Para el tratamiento de lodos, los SHE son generalmente más pequeños que otros tipos de intercambiadores de calor. [ cita necesaria ] Estos se utilizan para transferir el calor.
Debido a las muchas variables involucradas, seleccionar los intercambiadores de calor óptimos es un desafío. Los cálculos manuales son posibles, pero normalmente se necesitan muchas iteraciones. Como tal, los intercambiadores de calor suelen ser seleccionados mediante programas informáticos, ya sea por los diseñadores de sistemas, que normalmente son ingenieros , o por los proveedores de equipos.
Para seleccionar un intercambiador de calor apropiado, los diseñadores del sistema (o proveedores de equipos) considerarían primero las limitaciones de diseño para cada tipo de intercambiador de calor. Aunque el costo suele ser el criterio principal, son importantes otros criterios de selección:
Las tecnologías de serpentines de diámetro pequeño se están volviendo más populares en los sistemas modernos de aire acondicionado y refrigeración porque tienen mejores tasas de transferencia de calor que los serpentines de condensador y evaporador de tamaño convencional con tubos redondos de cobre y aletas de aluminio o cobre que han sido el estándar en la industria HVAC. Los serpentines de diámetro pequeño pueden soportar las presiones más altas requeridas por la nueva generación de refrigerantes más respetuosos con el medio ambiente. Actualmente se encuentran disponibles dos tecnologías de bobinas de pequeño diámetro para productos de aire acondicionado y refrigeración: microranura de cobre [28] y microcanal de aluminio soldado. [ cita necesaria ]
Elegir el intercambiador de calor (HX) adecuado requiere cierto conocimiento de los diferentes tipos de intercambiadores de calor, así como del entorno donde debe operar la unidad. Normalmente, en la industria manufacturera se utilizan varios tipos diferentes de intercambiadores de calor para que un solo proceso o sistema obtenga el producto final. Por ejemplo, una caldera HX para precalentamiento, una tubería doble HX para el fluido 'portador' y una placa y marco HX para enfriamiento final. Con suficiente conocimiento de los tipos de intercambiadores de calor y los requisitos operativos, se puede hacer una selección adecuada para optimizar el proceso. [29]
El monitoreo en línea de los intercambiadores de calor comerciales se realiza mediante el seguimiento del coeficiente general de transferencia de calor. El coeficiente general de transferencia de calor tiende a disminuir con el tiempo debido a la contaminación.
Al calcular periódicamente el coeficiente general de transferencia de calor a partir de los caudales y temperaturas del intercambiador, el propietario del intercambiador de calor puede estimar cuándo es económicamente atractivo limpiarlo.
La inspección de integridad del intercambiador de calor tubular y de placas se puede probar in situ mediante los métodos de conductividad o gas helio. Estos métodos confirman la integridad de las placas o tubos para evitar cualquier contaminación cruzada y el estado de las juntas.
El monitoreo de la integridad mecánica de los tubos del intercambiador de calor se puede realizar mediante métodos no destructivos , como las pruebas de corrientes parásitas .
La contaminación ocurre cuando las impurezas se depositan en la superficie de intercambio de calor. La deposición de estas impurezas puede disminuir significativamente la efectividad de la transferencia de calor con el tiempo y son causadas por:
La tasa de ensuciamiento del intercambiador de calor está determinada por la tasa de deposición de partículas menos el rearrastre/supresión. Este modelo fue propuesto originalmente en 1959 por Kern y Seaton.
Ensuciamiento del intercambiador de petróleo crudo . En el refinado comercial de petróleo crudo, el petróleo crudo se calienta de 21 °C (70 °F) a 343 °C (649 °F) antes de ingresar a la columna de destilación. Una serie de intercambiadores de calor de carcasa y tubos normalmente intercambian calor entre el petróleo crudo y otras corrientes de petróleo para calentar el crudo a 260 °C (500 °F) antes de calentarlo en un horno. La contaminación ocurre en el lado crudo de estos intercambiadores debido a la insolubilidad de los asfaltenos. Wiehe y Kennedy modelaron con éxito la naturaleza de la solubilidad de los asfaltenos en el petróleo crudo. [30] La precipitación de asfaltenos insolubles en trenes de precalentamiento de crudo ha sido modelada con éxito como una reacción de primer orden por Ebert y Panchal [31] , quienes ampliaron el trabajo de Kern y Seaton.
Ensuciamiento del agua de refrigeración . Los sistemas de agua de refrigeración son susceptibles a ensuciarse. El agua de refrigeración suele tener un alto contenido total de sólidos disueltos y sólidos coloidales suspendidos. La precipitación localizada de sólidos disueltos ocurre en la superficie de intercambio de calor debido a temperaturas de la pared superiores a la temperatura del fluido en masa. Las bajas velocidades del fluido (menos de 3 pies/s) permiten que los sólidos suspendidos se depositen en la superficie de intercambio de calor. El agua de refrigeración suele estar en el lado de los tubos de un intercambiador de carcasa y tubos porque es fácil de limpiar. Para evitar incrustaciones, los diseñadores generalmente se aseguran de que la velocidad del agua de refrigeración sea superior a 0,9 m/s y que la temperatura del fluido a granel se mantenga a menos de 60 °C (140 °F). Otros enfoques para controlar las incrustaciones combinan la aplicación "ciega" de biocidas y productos químicos antical con pruebas de laboratorio periódicas.
Los intercambiadores de calor de placas y marcos se pueden desmontar y limpiar periódicamente. Los intercambiadores de calor tubulares se pueden limpiar mediante métodos como limpieza con ácido, chorro de arena , chorro de agua a alta presión , limpieza con balas o barras de perforación.
En los sistemas de agua de refrigeración a gran escala para intercambiadores de calor, se utiliza el tratamiento del agua , como la purificación, la adición de productos químicos y las pruebas, para minimizar la contaminación del equipo de intercambio de calor. También se utilizan otros tratamientos de agua en sistemas de vapor para centrales eléctricas, etc. para minimizar la contaminación y la corrosión del intercambio de calor y otros equipos.
Una variedad de empresas han comenzado a utilizar tecnología de oscilaciones transmitidas por agua para prevenir la bioincrustación . Sin el uso de productos químicos, este tipo de tecnología ha ayudado a proporcionar una baja caída de presión en los intercambiadores de calor.
El diseño y fabricación de intercambiadores de calor tiene numerosas normativas, que varían según la región en la que se utilizarán.
Los códigos de diseño y fabricación incluyen: Código ASME para calderas y recipientes a presión (EE. UU.); PD 5500 (Reino Unido); BS 1566 (Reino Unido); [32] EN 13445 (UE); CODAP (francés); Reglamento de seguridad de equipos a presión de 2016 (PER) (Reino Unido); Directiva sobre equipos a presión (UE); NORSOK (noruego); TEMA ; [33] API 12; y API 560. [ cita necesaria ]
Las fosas nasales humanas sirven como intercambiadores de calor: se inhala aire frío y se exhala aire caliente. Su eficacia se puede demostrar poniendo la mano delante de la cara y exhalando, primero por la nariz y luego por la boca. El aire exhalado por la nariz es sustancialmente más frío. [34] [35] Este efecto se puede mejorar con ropa, por ejemplo, usando una bufanda sobre la cara mientras se respira en climas fríos.
En especies que tienen testículos externos (como los humanos), la arteria que va al testículo está rodeada por una malla de venas llamada plexo pampiniforme . Esto enfría la sangre que se dirige a los testículos y al mismo tiempo recalienta la sangre que regresa.
Los intercambiadores de calor " contracorriente " se encuentran naturalmente en el sistema de circulación de peces , ballenas y otros mamíferos marinos . Las arterias de la piel que transportan sangre caliente se entrelazan con las venas de la piel que transportan sangre fría, lo que hace que la sangre arterial caliente intercambie calor con la sangre venosa fría. Esto reduce la pérdida general de calor en agua fría. Los intercambiadores de calor también están presentes en la lengua de las ballenas barbadas cuando un gran volumen de agua fluye por sus bocas. [36] [37] Las aves zancudas utilizan un sistema similar para limitar las pérdidas de calor de su cuerpo a través de sus patas hacia el agua.
La red carotídea es un órgano de intercambio de calor a contracorriente en algunos ungulados . La sangre que asciende por las arterias carótidas en su camino hacia el cerebro fluye a través de una red de vasos donde el calor se descarga a las venas de sangre más fría que desciende de los conductos nasales. La red carotídea permite a la gacela de Thomson mantener su cerebro casi 3 °C (5,4 °F) más frío que el resto del cuerpo y, por lo tanto, ayuda a tolerar explosiones en la producción de calor metabólico, como las asociadas con los guepardos que huyen (durante los cuales la temperatura corporal excede la temperatura máxima a la que el cerebro podría funcionar). [38] Los humanos con otros primates carecen de red carotídea. [39]
Los intercambiadores de calor se utilizan ampliamente en la industria tanto para enfriar como para calentar procesos industriales a gran escala. El tipo y tamaño del intercambiador de calor utilizado se puede adaptar para adaptarse a un proceso dependiendo del tipo de fluido, su fase, temperatura, densidad, viscosidad, presiones, composición química y otras propiedades termodinámicas.
En muchos procesos industriales hay un desperdicio de energía o una corriente de calor que se está agotando, se pueden utilizar intercambiadores de calor para recuperar este calor y aprovecharlo calentando una corriente diferente en el proceso. Esta práctica ahorra mucho dinero en la industria, ya que, de lo contrario, el calor suministrado a otras corrientes desde los intercambiadores de calor procedería de una fuente externa, más cara y más perjudicial para el medio ambiente.
Los intercambiadores de calor se utilizan en muchas industrias, entre ellas:
En el tratamiento de aguas residuales, los intercambiadores de calor desempeñan un papel vital en el mantenimiento de temperaturas óptimas dentro de los digestores anaeróbicos para promover el crecimiento de microbios que eliminan los contaminantes. Los tipos comunes de intercambiadores de calor utilizados en esta aplicación son el intercambiador de calor de doble tubo y el intercambiador de calor de placa y marco.
En los aviones comerciales, los intercambiadores de calor se utilizan para tomar calor del sistema de aceite del motor para calentar combustible frío. [40] Esto mejora la eficiencia del combustible y reduce la posibilidad de que el agua atrapada en el combustible se congele en los componentes. [41]
Estimada en 17.500 millones de dólares en 2021, se espera que la demanda mundial de intercambiadores de calor experimente un crecimiento sólido de alrededor del 5% anual durante los próximos años. Se espera que el valor de mercado alcance los 27 mil millones de dólares estadounidenses para 2030. Con un deseo cada vez mayor de opciones respetuosas con el medio ambiente y un mayor desarrollo de oficinas, sectores minoristas y edificios públicos, se espera que la expansión del mercado crezca. [42]
Un simple intercambio de calor [43] [44] podría considerarse como dos tuberías rectas con flujo de fluido, que están conectadas térmicamente. Sean las tuberías de igual longitud L , transportando fluidos con capacidad calorífica (energía por unidad de masa por unidad de cambio de temperatura) y sea el caudal másico de los fluidos a través de las tuberías, ambas en la misma dirección, (masa por unidad de tiempo). ), donde el subíndice i se aplica a la tubería 1 o a la tubería 2.
Los perfiles de temperatura de las tuberías son y donde x es la distancia a lo largo de la tubería. Suponga un estado estacionario, de modo que los perfiles de temperatura no sean funciones del tiempo. Supongamos también que la única transferencia de calor desde un pequeño volumen de fluido en una tubería es al elemento fluido en la otra tubería en la misma posición, es decir, no hay transferencia de calor a lo largo de una tubería debido a diferencias de temperatura en esa tubería. Según la ley de enfriamiento de Newton, la tasa de cambio de energía de un pequeño volumen de fluido es proporcional a la diferencia de temperaturas entre él y el elemento correspondiente en la otra tubería:
(esto es para flujo paralelo en la misma dirección y gradientes de temperatura opuestos, pero para el intercambio de calor a contracorriente el signo es opuesto en la segunda ecuación frente a ), donde es la energía térmica por unidad de longitud y γ es la energía térmica conexión constante por unidad de longitud entre las dos tuberías. Este cambio de energía interna da como resultado un cambio en la temperatura del elemento fluido. La tasa de cambio en el tiempo para el elemento fluido arrastrado por el flujo es:
¿Dónde está el "flujo másico térmico"? Las ecuaciones diferenciales que gobiernan el intercambiador de calor ahora se pueden escribir como:
Como el sistema está en estado estacionario, no hay derivadas parciales de la temperatura con respecto al tiempo, y como no hay transferencia de calor a lo largo de la tubería, no hay segundas derivadas en x como se encuentra en la ecuación del calor . Estas dos ecuaciones diferenciales de primer orden acopladas se pueden resolver para obtener:
dónde , ,
(Esto es para flujo paralelo, pero para contraflujo el signo delante de es negativo, de modo que si , para el mismo "flujo másico térmico" en ambas direcciones opuestas, el gradiente de temperatura es constante y las temperaturas lineales en posición x con una diferencia constante a lo largo del intercambiador, lo que explica por qué el diseño de intercambio a contracorriente es el más eficiente)
y A y B son dos constantes de integración aún indeterminadas. Sean y las temperaturas en x=0 y sean y las temperaturas al final de la tubería en x=L. Defina las temperaturas promedio en cada tubería como:
Usando las soluciones anteriores, estas temperaturas son:
Elegir dos temperaturas cualesquiera de las anteriores elimina las constantes de integración, lo que nos permite encontrar las otras cuatro temperaturas. Encontramos la energía total transferida integrando las expresiones para la tasa de cambio temporal de la energía interna por unidad de longitud:
Por conservación de la energía, la suma de las dos energías es cero. La cantidad se conoce como diferencia de temperatura media logarítmica y es una medida de la eficacia del intercambiador de calor en la transferencia de energía térmica.
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