Un intercambiador de calor de placas es un tipo de intercambiador de calor que utiliza placas de metal para transferir calor entre dos fluidos . Esto tiene una gran ventaja sobre un intercambiador de calor convencional en el sentido de que los fluidos están expuestos a una superficie mucho mayor porque se distribuyen sobre las placas. Esto facilita la transferencia de calor y aumenta en gran medida la velocidad del cambio de temperatura . Los intercambiadores de calor de placas son ahora comunes y se utilizan versiones soldadas muy pequeñas en las secciones de agua caliente de millones de calderas combinadas . La alta eficiencia de transferencia de calor para un tamaño físico tan pequeño ha aumentado el caudal de agua caliente sanitaria (ACS) de las calderas combinadas. El intercambiador de calor de placas pequeño ha tenido un gran impacto en la calefacción y el agua caliente domésticas. Las versiones comerciales más grandes utilizan juntas entre las placas, mientras que las versiones más pequeñas tienden a estar soldadas.
El concepto detrás de un intercambiador de calor es el uso de tuberías u otros recipientes de contención para calentar o enfriar un fluido mediante la transferencia de calor entre este y otro fluido. En la mayoría de los casos, el intercambiador consiste en una tubería en espiral que contiene un fluido que pasa a través de una cámara que contiene otro fluido. Las paredes de la tubería suelen estar hechas de metal u otra sustancia con una alta conductividad térmica , para facilitar el intercambio, mientras que la carcasa exterior de la cámara más grande está hecha de plástico o recubierta con aislamiento térmico , para evitar que el calor se escape del intercambiador.
El primer intercambiador de calor de placas (PHE) comercialmente viable del mundo fue inventado por el Dr. Richard Seligman en 1923 y revolucionó los métodos de calentamiento y enfriamiento indirecto de fluidos. El Dr. Richard Seligman fundó APV en 1910 como Aluminum Plant & Vessel Company Limited, una empresa de fabricación especializada que suministraba recipientes soldados a las industrias cervecera y de aceite vegetal. Además, estableció la norma para los intercambiadores de calor de placas metálicas delgadas diseñados por computadora que se utilizan en todo el mundo. [1]
El intercambiador de calor de placas (PHE) es un diseño especializado muy adecuado para transferir calor entre fluidos de presión media y baja. Los intercambiadores de calor soldados, semisoldados y soldados con soldadura fuerte se utilizan para el intercambio de calor entre fluidos de alta presión o cuando se requiere un producto más compacto. En lugar de una tubería que pasa a través de una cámara, hay dos cámaras alternas, generalmente de profundidad delgada, separadas en su superficie más grande por una placa de metal corrugado. Las placas utilizadas en un intercambiador de calor de placas y marco se obtienen mediante el prensado de una sola pieza de placas de metal. El acero inoxidable es un metal comúnmente utilizado para las placas debido a su capacidad para soportar altas temperaturas, su fuerza y su resistencia a la corrosión.
Las placas suelen estar espaciadas por juntas de sellado de goma que se cementan en una sección alrededor del borde de las placas. Las placas se presionan para formar canales en ángulos rectos con respecto a la dirección del flujo del líquido que corre a través de los canales en el intercambiador de calor. Estos canales están dispuestos de manera que se interconecten con las otras placas, lo que forma el canal con espacios de 1,3 a 1,5 mm entre las placas. Las placas se comprimen juntas en un marco rígido para formar una disposición de canales de flujo paralelos con fluidos fríos y calientes alternados. Las placas producen un área de superficie extremadamente grande, lo que permite la transferencia más rápida posible. Hacer que cada cámara sea delgada garantiza que la mayoría del volumen del líquido entre en contacto con la placa, lo que nuevamente ayuda al intercambio. Los canales también crean y mantienen un flujo turbulento en el líquido para maximizar la transferencia de calor en el intercambiador. Se puede obtener un alto grado de turbulencia a bajos caudales y, por lo tanto, se puede lograr un alto coeficiente de transferencia de calor.
En comparación con los intercambiadores de calor de carcasa y tubos, la aproximación de temperatura (la diferencia más pequeña entre las temperaturas de las corrientes fría y caliente) en un intercambiador de calor de placas puede ser tan baja como 1 °C, mientras que los intercambiadores de calor de carcasa y tubos requieren una aproximación de 5 °C o más. Para la misma cantidad de calor intercambiado, el tamaño del intercambiador de calor de placas es menor, debido a la gran área de transferencia de calor proporcionada por las placas (la gran área a través de la cual puede viajar el calor). El aumento y la reducción del área de transferencia de calor es simple en un intercambiador de calor de placas, mediante la adición o eliminación de placas de la chimenea.
Todos los intercambiadores de calor de placas tienen un aspecto similar en el exterior. La diferencia radica en el interior, en los detalles del diseño de las placas y en las tecnologías de sellado utilizadas. Por lo tanto, al evaluar un intercambiador de calor de placas, es muy importante no solo explorar los detalles del producto que se suministra, sino también analizar el nivel de investigación y desarrollo realizado por el fabricante y el servicio posterior a la puesta en servicio y la disponibilidad de piezas de repuesto.
Un aspecto importante a tener en cuenta al evaluar un intercambiador de calor son las formas de corrugación dentro del intercambiador de calor. Hay dos tipos: corrugaciones interconectadas y corrugaciones en forma de chevron . En general, las corrugaciones en forma de chevron producen una mayor mejora en la transferencia de calor para un aumento dado en la caída de presión y se usan más comúnmente que las corrugaciones interconectadas. [2] Hay tantas formas diferentes de modificaciones para aumentar la eficiencia de los intercambiadores de calor que es extremadamente dudoso que alguna de ellas sea compatible con un simulador comercial. Además, algunos datos patentados nunca pueden ser publicados por los fabricantes de mejoras de transferencia de calor. Sin embargo, esto no significa que los ingenieros no puedan realizar alguna de las mediciones previas para la tecnología emergente. A continuación, se proporciona información de contexto sobre varias formas diferentes de cambios en los intercambiadores de calor. El objetivo principal de tener un intercambiador de calor rentable en comparación con el uso de un intercambiador de calor tradicional siempre debe cumplirse mediante la mejora del intercambiador de calor. La capacidad de ensuciamiento, la confiabilidad y la seguridad son otras consideraciones que deben abordarse.
En primer lugar, se realiza una limpieza periódica. La limpieza periódica (limpieza in situ) es el método más eficaz para eliminar todos los residuos y la suciedad que, con el tiempo, reducen la eficiencia del intercambiador de calor. Este método requiere que se vacíen ambos lados del intercambiador de calor de placas (PHE) y, a continuación, se aísle del fluido del sistema. Se debe enjuagar el agua de ambos lados hasta que salga completamente limpia. Para obtener los mejores resultados, el lavado se debe realizar en sentido contrario a las operaciones habituales. Una vez realizado, es el momento de utilizar una bomba circular y un tanque de solución para aplicar un agente de limpieza, asegurándose de que el agente sea compatible con las juntas y placas del intercambiador de calor de placas (PHE). Por último, hasta que el flujo de descarga salga limpio, se debe enjuagar el sistema con agua nuevamente.
Para lograr mejoras en los intercambiadores de calor de placas, se deben considerar dos factores importantes, a saber, la cantidad de transferencia de calor y la caída de presión, de modo que se debe aumentar la cantidad de transferencia de calor y disminuir las caídas de presión. En los intercambiadores de calor de placas, debido a la presencia de placas corrugadas, existe una resistencia significativa al flujo con una alta pérdida por fricción. Por lo tanto, para diseñar intercambiadores de calor de placas, se deben considerar ambos factores.
Existen muchas correlaciones y ángulos de chevron para intercambiadores de calor de placas para distintos rangos de números de Reynolds. La geometría de las placas es uno de los factores más importantes en la transferencia de calor y la caída de presión en los intercambiadores de calor de placas, sin embargo, esta característica no está prescrita con precisión. En los intercambiadores de calor de placas corrugadas, debido al estrecho camino entre las placas, existe una gran capacidad de presión y el flujo se vuelve turbulento a lo largo del camino. Por lo tanto, requiere más potencia de bombeo que los otros tipos de intercambiadores de calor. Por lo tanto, se busca una mayor transferencia de calor y una menor caída de presión. La forma del intercambiador de calor de placas es muy importante para las aplicaciones industriales que se ven afectadas por la caída de presión. [ cita requerida ]
Los cálculos de diseño de un intercambiador de calor de placas incluyen la distribución del flujo, la caída de presión y la transferencia de calor. El primero es un problema de distribución del flujo en colectores . [3] Una configuración de diseño de intercambiador de calor de placas generalmente se puede simplificar en un sistema de colector con dos cabezales de colector para dividir y combinar fluidos, que se pueden clasificar en disposición de tipo U y tipo Z según la dirección del flujo en los cabezales, como se muestra en la disposición del colector. Bassiouny y Martin desarrollaron la teoría de diseño anterior. [4] [5] En los últimos años, Wang [6] [7] unificó todos los modelos principales existentes y desarrolló una teoría y una herramienta de diseño más completas.
La tasa total de transferencia de calor entre los fluidos fríos y calientes que pasan a través de un intercambiador de calor de placas se puede expresar como: Q = UA∆Tm donde U es el coeficiente de transferencia de calor general , A es el área total de la placa y ∆Tm es la diferencia de temperatura media logarítmica . U depende de los coeficientes de transferencia de calor en las corrientes frías y calientes. [2]
Su limpieza ayuda a evitar la formación de incrustaciones y sarro sin que sea necesario apagar el intercambiador de calor o interrumpir las operaciones. Para evitar que el rendimiento del intercambiador de calor disminuya y la vida útil de la extensión del tubo, la limpieza en línea (OnC) se puede utilizar como un enfoque independiente o en conjunto con el tratamiento químico. El sistema de tipo bola de recirculación y el sistema de cepillo y cesta son algunas de las técnicas OnC. La limpieza fuera de línea (OfC) es otro método de limpieza eficaz que aumenta de manera efectiva el rendimiento de los intercambiadores de calor y reduce los gastos operativos. Este método, también conocido como raspado, utiliza un dispositivo con forma de bala que se inserta en cada tubo y utiliza alta presión de aire para forzar el tubo hacia abajo. El lavado químico, el hidroblasting y el hidrolanzado son otros métodos ampliamente utilizados además de OfC. Ambas técnicas, cuando se utilizan con frecuencia, restaurarán el intercambiador a su eficiencia óptima hasta que la suciedad y el sarro comiencen a deslizarse lentamente y afecten negativamente la eficiencia del intercambiador de calor.
El costo de operación y mantenimiento es necesario para un intercambiador de calor. Pero hay diferentes maneras de minimizar el costo. En primer lugar, el costo se puede minimizar reduciendo la formación de incrustaciones en el intercambiador de calor, lo que disminuye el coeficiente general de transferencia de calor. Según el análisis estimado, el efecto de la formación de incrustaciones generará un enorme costo de pérdidas operativas que supera los 4 mil millones de dólares. El costo total de las incrustaciones incluye el costo de capital, el costo de energía, el costo de mantenimiento y el costo de la pérdida de ganancias. Los inhibidores químicos de incrustaciones son uno de los métodos de control de incrustaciones. Por ejemplo, se pueden utilizar copolímeros de ácido acrílico/hidroxipropilacrilato (AA/HPA) y ácido acrílico/ácido sulfónico (AA/SA) para inhibir la incrustación mediante la deposición de fosfato de calcio. A continuación, la deposición de incrustaciones también se puede reducir instalando el intercambiador de calor verticalmente, ya que la fuerza de la gravedad aleja cualquiera de las partículas de la superficie de transferencia de calor en el intercambiador de calor. En segundo lugar, el costo de operación se puede minimizar cuando se utiliza vapor saturado en comparación con vapor sobrecalentado como fluido. El vapor sobrecalentado actúa como aislante y mal conductor del calor, por lo que no es adecuado para aplicaciones de calor como los intercambiadores de calor.
