Los intercambiadores de calor de placas tipo almohada son una clase de diseño de intercambiador de calor completamente soldado , que exhiben una superficie ondulada, en forma de “almohada”, formada por un proceso de inflado. En comparación con los equipos más convencionales, como los intercambiadores de calor de carcasa y tubos y de placas y marcos , las placas tipo almohada son una tecnología bastante joven. Debido a su flexibilidad geométrica, se utilizan tanto como intercambiadores de calor de “tipo placa” como como camisas para enfriar o calentar recipientes. Los equipos de placas tipo almohada están experimentando actualmente una mayor atención e implementación en la industria de procesos.
Las placas de apoyo se fabrican mediante un proceso de inflado, en el que dos láminas finas de metal se sueldan entre sí por puntos en toda la superficie mediante soldadura por láser o por resistencia . Los lados de las placas se sellan mediante soldadura de costura, excepto los puertos de conexión. Finalmente, el espacio entre las láminas finas de metal se presuriza mediante un fluido hidráulico que provoca un conformado plástico de las placas, lo que finalmente conduce a su característica superficie ondulada.
En principio, existen dos tipos diferentes de placas de apoyo: de un solo relieve y de doble relieve. Las primeras forman comúnmente las paredes dobles de los recipientes encamisados , mientras que las segundas se ensamblan en una pila (banco) para fabricar intercambiadores de calor de placas de apoyo. Las placas de apoyo de un solo relieve se forman cuando la placa base es significativamente más gruesa que la placa superior. La placa superior más delgada se deforma, mientras que la placa base permanece plana.
Además, las placas de apoyo suelen estar equipadas con soldaduras de costura de “deflectores”, que ofrecen una guía de flujo dirigida en los canales de las placas de apoyo en casos en los que la distribución del flujo o la velocidad del fluido pueden ser un problema. Recientemente se ha propuesto un método para obtener una guía de flujo mediante deflectores en los canales entre placas de apoyo adyacentes en intercambiadores de calor de placas de apoyo. [1]
Las placas de apoyo están fabricadas de forma hermética, tienen una gran estabilidad estructural y su fabricación es en su mayor parte automatizada y muy flexible. Pueden funcionar a presiones > 100 MPa [ cita requerida ] y temperaturas de hasta 800 °C.
La aplicación de las placas de apoyo es muy amplia, debido a sus propiedades favorables, como una alta flexibilidad geométrica y una buena adaptabilidad a casi todos los procesos. Su implementación depende de su construcción subyacente, es decir, bancos de placas de apoyo o tanques con camisa de placas de apoyo. La superficie externa relativamente plana es fácil de limpiar y adecuada para aplicaciones sanitarias o de alto nivel de suciedad, pero la superficie interna tiene costuras finas alrededor de cada punto de soldadura y no es fácil de limpiar, por lo tanto, la superficie interna solo es adecuada para fluidos no contaminantes como agua, vapor o refrigerantes.
Los bancos de placas de apoyo se utilizan normalmente en aplicaciones que involucran líquido-líquido, gas-líquido, medios de alta viscosidad o sucios, requisitos de baja pérdida de presión, condensación (por ejemplo, condensadores superiores), evaporación de película descendente (por ejemplo, industria del papel y la pulpa), recalentadores , enfriamiento de agua, secado de sólidos, generación de hielo en escamas (industria alimentaria) y más. También se utilizan comúnmente como enfriadores de inmersión (por ejemplo, en galvanoplastia ), donde los bancos se sumergen directamente en el tanque. Los bancos se pueden construir para permitir que las placas individuales se separen de la pila, lo que permite una fácil limpieza o mantenimiento.
La aplicación más extensa de las placas de almohada hasta la fecha es en recipientes con camisa , debido a su flexibilidad, cobertura total de la superficie para transferencia de calor, baja retención de fluido, costos y tiempos de fabricación favorables y fácil limpieza, especialmente en aplicaciones estériles. Los tanques pueden estar equipados con múltiples camisas sobre su superficie, incluido también el fondo del tanque, por ejemplo cónicas o cóncavas , y pueden incluir carcasas cilíndricas adicionales dentro del tanque. Las áreas típicas de implementación de tanques con camisa de placas de almohada son la industria de alimentos y bebidas y la industria química y farmacéutica. Estas camisas también se conocen como "camisas con hoyuelos".
Gracias a su flexibilidad geométrica, las placas de apoyo se pueden personalizar o adaptar a casi cualquier geometría para ofrecer una transferencia de calor específica donde sea necesaria. Algunos ejemplos son la refrigeración de tuberías en procesos térmicos o incluso paquetes de baterías y motores eléctricos para vehículos eléctricos en la industria automotriz.
A diferencia de los intercambiadores de calor más convencionales, el conocimiento del rendimiento termohidráulico de las placas de apoyo y la experiencia con su diseño son limitados. Para superar este obstáculo, actualmente se están realizando esfuerzos para desarrollar herramientas de software comerciales. Se puede encontrar una descripción general aproximada del estado del arte en placas de apoyo en [2] .
La investigación sobre placas de apoyo se puede subdividir en tres categorías principales: análisis geométrico, análisis del flujo de fluidos y transferencia de calor en placas de apoyo y análisis del flujo de fluidos y transferencia de calor en el espacio entre placas de apoyo adyacentes.
En [3] se han propuesto métodos para el cálculo del área superficial, el volumen de retención de fluido, el área de la sección transversal y el diámetro hidráulico, necesarios en los cálculos termohidráulicos. Los parámetros geométricos mencionados se determinaron utilizando el análisis de elementos finitos (FEM), que imita el proceso de inflado durante la fabricación de las placas de apoyo. Además, las presiones de estallido teóricas de las placas de apoyo se pudieron estimar con FEM.
La compleja geometría ondulada de los canales de las placas de apoyo favorece la mezcla de fluidos, lo que conduce a tasas de transferencia de calor favorables , pero también es desfavorable para la pérdida de presión (formación de regiones de recirculación a raíz de los puntos de soldadura). La información sobre el flujo de fluidos y la transferencia de calor en las placas de apoyo está disponible en [4], mientras que las correlaciones para el cálculo del factor de fricción de Darcy y el número de Nusselt en las placas de apoyo en una amplia gama de variaciones de parámetros geométricos y condiciones de proceso se encuentran en [5] .
De manera similar a los canales internos de las placas de apoyo, los canales formados entre las placas de apoyo adyacentes (canales externos) también son ondulados y promueven la mezcla de fluidos, lo que a su vez es favorable para las tasas de transferencia de calor . Sin embargo, la pérdida de presión en los canales externos es significativamente menor que en los internos debido a la ausencia de puntos de soldadura, que actúan como obstáculos para el flujo (flujo alrededor de los puntos de soldadura). La información sobre el flujo de fluidos y la transferencia de calor en los canales externos de los intercambiadores de calor de placas de apoyo está disponible en [6] .
El diseño confiable de condensadores, evaporadores de película descendente y enfriadores de agua requiere un conocimiento detallado de la dinámica de fluidos y la transferencia de calor de la película de líquido descendente sobre la superficie de las placas de apoyo. [7]