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 enfriamiento como de calentamiento. [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 las bobinas del radiador y el aire fluye más allá de las bobinas, 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]
Existen 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 en el mismo extremo y viajan en paralelo uno al otro hasta el otro lado. En los intercambiadores de calor de contraflujo , los fluidos ingresan al intercambiador desde extremos opuestos. El diseño de contracorriente es el más eficiente, ya que puede transferir la mayor cantidad de calor del medio (de 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 . Consulte intercambio a contracorriente . En un intercambiador de calor de flujo cruzado , los fluidos viajan aproximadamente perpendiculares entre sí a través del intercambiador.
Para lograr una mayor eficiencia, los intercambiadores de calor están diseñados para maximizar el área de superficie de la pared entre los dos fluidos, mientras se minimiza la resistencia al flujo de fluido a través del intercambiador. El rendimiento del intercambiador también puede verse afectado por la adición de aletas o 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 lo largo de la superficie de transferencia de calor varía con la posición, pero se puede definir una temperatura media adecuada. En la mayoría de los sistemas simples, esta es la " diferencia media de temperatura logarítmica " (LMTD). A veces, no se dispone de un conocimiento directo de la LMTD y se utiliza el método NTU .
Los intercambiadores de calor de doble tubo son los intercambiadores más simples que se utilizan en las industrias. 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, junto con el gran espacio que ocupan en grandes escalas, ha llevado a las industrias modernas a utilizar intercambiadores de calor más eficientes, como los de carcasa y tubo o de placas. Sin embargo, dado que los intercambiadores de calor de doble tubo son simples, se utilizan para enseñar los conceptos básicos del diseño de intercambiadores de calor a los estudiantes, 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 contraflujos en un intercambiador de calor de doble tubería.
(a) Flujo paralelo, en el que los líquidos fríos y calientes 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 la tensión térmica y produce una tasa de transferencia de calor más uniforme.
(b) Contracorriente, donde los fluidos fríos y calientes entran por 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 una diferencia de temperatura mayor cuando se utiliza en condiciones similares. [ cita requerida ]
La figura de arriba ilustra las direcciones de flujo paralelo y contraflujo del intercambiador de fluido.
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 de los tubos y el otro fluido fluye fuera de los tubos, pero dentro de la carcasa (lado de la carcasa).
Los deflectores se utilizan para sostener los tubos, dirigir el flujo de fluido hacia ellos 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 espaciamiento y la geometría de los deflectores depende del caudal admisible de la caída de fuerza en el lado de la carcasa, la necesidad de soporte de los tubos 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 la aplicación para enfriar aire con tecnología de carcasa y tubos (como en el 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 delgadas y conformadas agrupadas. La disposición de las juntas de cada par de placas proporciona dos sistemas de 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 los canales individuales, la configuración de las juntas permite el flujo a través de ellas. De esta manera, se permite que los medios principales y secundarios fluyan en contracorriente. Un intercambiador de calor de placas con juntas tiene una región de calor formada por placas corrugadas. La junta funciona como sello entre las placas y se encuentra entre el marco y las placas de presión. El fluido fluye en dirección contracorriente a lo largo del intercambiador de calor. Se produce un rendimiento térmico eficiente. Las placas se producen en diferentes profundidades, tamaños y formas corrugadas. Hay diferentes tipos de placas disponibles, incluidos intercambiadores de calor de placas y marco, placas y carcasa y placas en espiral. El área de distribución garantiza el flujo de fluido a toda la superficie de transferencia de calor. Esto ayuda a evitar áreas estancadas que pueden causar la acumulación de material no deseado en superficies sólidas. La alta turbulencia del flujo entre las 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 los condensadores, las calderas y los 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 cuando incluye un dispositivo de suministro de agua. La Figura 5 a continuación muestra un condensador de superficie de dos pasos.
La presión del vapor en la salida de la turbina es baja, mientras que la densidad del vapor es muy baja y el caudal es muy alto. Para evitar una disminución de la presión en el movimiento del vapor desde la turbina al condensador, la unidad condensadora se coloca debajo y se conecta a la turbina. Dentro de los tubos, el agua de refrigeración corre en forma paralela, mientras que el vapor se mueve en una posición vertical hacia abajo desde la amplia abertura en la parte superior y viaja a través del tubo. Además, las calderas se clasifican como una aplicación inicial de los intercambiadores de calor. La palabra generador de vapor se usaba regularmente para describir una unidad de caldera donde 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 solo pueden producir fluido caliente, mientras que otras se fabrican para la producción de vapor.
Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos constan de una serie de tubos que contienen 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 requerido. Un conjunto de tubos se llama 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 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 de distribución (a veces llamadas cajas de agua) a través de orificios en 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 refrigerados por líquido, especialmente adecuados para aplicaciones marinas y hostiles, se pueden ensamblar con carcasas de latón, tubos de cobre, deflectores de latón y cubos de extremo integrales de latón forjado. [ cita requerida ] (Ver: Cobre en intercambiadores de calor ).
Otro tipo de intercambiador de calor es el intercambiador de calor de placas . Estos intercambiadores están compuestos de muchas placas delgadas, ligeramente separadas que tienen áreas de superficie muy grandes y pequeños pasajes 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 de HVAC , los intercambiadores de calor grandes de este tipo se denominan de placa y marco ; cuando se utilizan en circuitos abiertos, estos intercambiadores de calor normalmente son del tipo de 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 soldadura fuerte por inmersión, soldadura fuerte por vacío y soldadura fuerte, 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 estar estampadas con "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 menor volumen y un menor coste. Otra diferencia entre ambos es que los intercambiadores de placas suelen funcionar con fluidos de baja a media presión, en comparación con las presiones medias y altas de los intercambiadores de carcasa y tubos. Una tercera e importante diferencia es que los intercambiadores de placas emplean más flujo a contracorriente que flujo a contracorriente, lo que permite menores diferencias de temperatura de aproximación, cambios de temperatura elevados y mayores eficiencias.
Un tercer tipo de intercambiador de calor es un intercambiador de calor de placas y carcasa, que combina las tecnologías de intercambiador de calor de placas con intercambiador de calor de carcasa y tubo. El corazón del intercambiador de calor contiene un paquete de placas circulares completamente soldado hecho presionando y cortando placas redondas y soldándolas entre sí. Las boquillas llevan 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 placas y carcasa ofrece alta transferencia de calor, alta presión, alta temperatura de funcionamiento , tamaño compacto, bajo ensuciamiento 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 traslada al otro lado del intercambiador de calor para liberarse. Dos ejemplos de esto son las ruedas adiabáticas, que consisten en una rueda grande con hilos finos que giran a través de los fluidos fríos y calientes, y los intercambiadores de calor de fluidos.
Este tipo de intercambiador de calor utiliza pasajes "intercalados" que contienen aletas para aumentar la eficacia de la unidad. Los diseños incluyen flujo cruzado y contraflujo acoplados con varias configuraciones de aletas, como aletas rectas, aletas desplazadas y aletas onduladas.
Los intercambiadores de calor de placas y aletas suelen estar fabricados con aleaciones de aluminio, que proporcionan una alta eficiencia de transferencia de calor. El material permite que el sistema funcione a una diferencia de temperatura menor y reduce 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 aeronaves .
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 basado en tubos es común cuando uno de los fluidos de trabajo es un gas de baja presión, y es típico de los intercambiadores de calor que funcionan con aire ambiente, como radiadores de automóviles y condensadores de aire de HVAC . Las aletas aumentan drásticamente el área de superficie con la que se puede intercambiar calor, lo que mejora la eficiencia de la conducción de 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 la longitud de las aletas, que suelen ser muy delgadas.
Los principales tipos de construcción de intercambiadores de tubos con aletas son:
Se puede utilizar una construcción de aletas apiladas o en espiral para los tubos dentro de los intercambiadores de calor de carcasa y tubo cuando se requiere una transferencia térmica de alta eficiencia a un gas.
En la refrigeración de dispositivos electrónicos, los disipadores de calor , en particular aquellos que utilizan tubos de calor , pueden tener una construcción de aletas apiladas.
En la industria láctea, se suele utilizar un intercambiador de calor de placas tipo almohada para enfriar la leche en grandes tanques de acero inoxidable de expansión directa . Casi toda la superficie de un tanque se puede integrar con este intercambiador de calor, sin los espacios que se producirían entre las tuberías soldadas al exterior del tanque. Las placas tipo almohada también se pueden construir como placas planas que se apilan dentro de un tanque. La superficie relativamente plana de las placas permite una limpieza fácil, especialmente en aplicaciones estériles.
La placa de apoyo se puede construir utilizando una lámina fina de metal soldada a la superficie más gruesa de un tanque o recipiente, o dos láminas finas soldadas entre sí. La superficie de la placa se suelda con un patrón regular de puntos o un patrón serpenteante de líneas de soldadura. Después de soldar, el espacio cerrado se presuriza con suficiente fuerza para hacer que el metal fino sobresalga alrededor de las soldaduras, lo que proporciona un espacio para que fluyan los líquidos del intercambiador de calor y crea una apariencia característica de una almohadilla 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 un motor diésel o un gas residual de una industria o refinería.
Los sistemas grandes con corrientes de gas de gran volumen y temperatura, típicos de 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 .
El refrigerante se hierve por la fuente de calor en el evaporador 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 se completa utilizando una bomba para enviar el fluido de regreso al evaporador.
Otro tipo de intercambiador de calor se denomina " intercambiador de calor de superficie raspada (dinámica) ". Se utiliza principalmente para calentar o enfriar productos de alta viscosidad , procesos de cristalización , evaporación y aplicaciones con alto nivel de suciedad . Se logran tiempos de funcionamiento prolongados debido al raspado continuo de la superficie, evitando así la suciedad 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 utilizar para calentar un líquido para evaporarlo (o hervirlo) o como condensadores para enfriar un vapor y condensarlo en un líquido. En las plantas químicas y refinerías , los recalentadores utilizados para calentar el material entrante para las torres de destilación suelen ser intercambiadores de calor. [6] [7]
Las configuraciones de destilación generalmente utilizan 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 el agua y convertirla en vapor . Los intercambiadores de calor o unidades similares para producir vapor a partir del agua suelen denominarse calderas o generadores de vapor.
En las centrales nucleares llamadas reactores de agua a presión , intercambiadores de calor especiales de gran tamaño pasan el calor del sistema primario (planta de reactor) al sistema secundario (planta de vapor), produciendo vapor a partir del agua en el proceso. Estos se denominan generadores de vapor . Todas las centrales eléctricas nucleares y alimentadas con 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 desde una corriente que debe enfriarse a otra corriente que debe calentarse, como el enfriamiento del destilado y el precalentamiento de la alimentación del recalentador.
Este término también puede referirse a intercambiadores de calor que contienen un material dentro de su estructura que tiene un cambio de fase. Por lo general, se trata de 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 así permite que el intercambiador de calor acepte calor adicional. Un ejemplo en el que se ha investigado esto es para su uso en la electrónica de aeronaves de alta potencia.
Los intercambiadores de calor que funcionan en regímenes de flujo multifásico pueden estar sujetos a la inestabilidad de Ledinegg .
Los intercambiadores de calor de contacto directo implican la transferencia de calor entre corrientes calientes y frías de dos fases en ausencia de una pared separadora. [10] Por lo tanto, dichos intercambiadores de calor se pueden clasificar 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]
Este tipo de intercambiadores de calor se utilizan predominantemente en aire acondicionado , humidificación , calentamiento de agua caliente industrial , refrigeración de agua y plantas de 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 menores a 1 mm y aletas. Todos los elementos suelen estar soldados entre sí mediante un proceso de soldadura con 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 del lado del aire en comparación con los intercambiadores de calor de tubos con aletas. [ cita requerida ] Los intercambiadores de calor de microcanales se utilizan ampliamente en la industria automotriz como radiadores de automóviles y como condensadores, evaporadores y serpentines de enfriamiento/calefacción en la industria HVAC.
Los microintercambiadores de calor , intercambiadores de calor a microescala o intercambiadores de calor microestructurados son intercambiadores de calor en los que (al menos un) fluido fluye en confinamientos laterales con dimensiones típicas inferiores a 1 mm. Los confinamientos más típicos 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 la refrigeración y el aire acondicionado . Esta clase de intercambiadores de calor se denominan comúnmente serpentines de aire , o simplemente serpentines debido a sus tubos internos a menudo serpentinos, o condensadores en el caso de la refrigeración , y suelen ser del tipo de tubo con aletas. Los serpentines de HVAC de líquido a aire o aire a líquido suelen tener una disposición de flujo cruzado modificado. En los vehículos, los serpentines de calor a menudo se denominan núcleos de calentador .
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 las bobinas de calefacción , el agua caliente y el vapor son los más comunes, y este fluido calentado es suministrado por calderas , por ejemplo. Para las bobinas de enfriamiento , el agua fría y el refrigerante son los más comunes. El agua fría se suministra desde un enfriador que potencialmente está ubicado muy lejos, pero el refrigerante debe provenir de una unidad condensadora cercana. Cuando se utiliza un refrigerante, la bobina de enfriamiento es el evaporador y la bobina 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 de tipo "microcanal". [5]
En el lado del aire de los serpentines de HVAC existe una diferencia significativa entre los que se usan para calefacción y los que se usan para refrigeración. Debido a la psicrometría , el aire que se enfría a menudo tiene humedad que se condensa, excepto en flujos de aire extremadamente secos. Calentar un poco 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 su lado del aire, pero los serpentines de refrigeración deben estar diseñados y seleccionados adecuadamente para manejar sus cargas latentes (humedad) particulares, así como las cargas sensibles (refrigeración). El agua que se elimina se llama condensado .
En muchos climas, los serpentines de HVAC de agua o vapor pueden estar expuestos a condiciones de congelamiento. Debido a que el agua se expande al congelarse, estos intercambiadores de calor de paredes delgadas, que son algo costosos y difíciles de reemplazar, pueden dañarse o destruirse fácilmente con una sola congelación. Por lo tanto, la protección contra el congelamiento de los serpentines es una preocupación importante para los diseñadores, instaladores y operadores de HVAC.
La introducción de hendiduras colocadas dentro de las aletas de intercambio de calor controlaba 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". Son, en cambio, intercambiadores de calor de gas a aire que suelen estar hechos de chapa de acero estampada. Los productos de la combustión pasan por un lado de estos intercambiadores de calor y el aire a 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 entrar en el 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 bobina helicoidal (HCHE):
Estos se han utilizado en la industria nuclear como un 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 método de Ramachandra K. Patil (et al.) de la India y el método de Scott S. Haraburda de los Estados Unidos . [19] [20]
Sin embargo, estos se basan en suposiciones de estimación del coeficiente de transferencia de calor interno, predicción del flujo alrededor del exterior de la bobina 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 en espiral, lo que permite que los dos fluidos fluyan en paralelo 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 una disposición de contraflujo. Cada uno de los dos canales tiene una trayectoria curva larga. Un par de puertos de fluido están conectados tangencialmente a los brazos externos de la espiral, y los puertos axiales son comunes, pero opcionales. [24]
La principal ventaja del intercambiador de calor de superficie es su uso altamente eficiente del espacio. Este atributo se aprovecha a menudo 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 versus el costo operativo). Se puede utilizar un intercambiador de calor de superficie compacto para tener un espacio más pequeño y, por lo tanto, menores costos de capital generales, o se puede utilizar un intercambiador de calor de superficie de gran tamaño para tener una menor caída de presión , menos energía de bombeo , mayor eficiencia térmica y menores costos de energía.
La distancia entre las láminas en los canales espirales se mantiene mediante el uso de pernos espaciadores que se soldaron antes del laminado. Una vez que se ha laminado el paquete espiral principal, se sueldan los bordes superior e inferior alternadamente y cada extremo se cierra con una cubierta plana o cónica con empaquetadura atornillada al cuerpo. Esto garantiza que no se mezclen los dos fluidos. Cualquier fuga se produce desde la cubierta periférica a la atmósfera o a un conducto que contiene 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 la suciedad con mayor facilidad. El SHE utiliza un mecanismo de "autolimpieza", por el cual las superficies sucias provocan un aumento localizado en la velocidad del fluido, lo que aumenta la resistencia (o fricción del fluido ) en la superficie sucia, lo que ayuda a desalojar el bloqueo 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 requerida ] 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 apagarlo 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 adecuado para aplicaciones como pasteurización, calentamiento de digestores, recuperación de calor, precalentamiento (ver: recuperador ) y enfriamiento de efluentes. Para el tratamiento de lodos, los intercambiadores de calor en espiral son generalmente más pequeños que otros tipos de intercambiadores de calor. [ cita requerida ] Estos se utilizan para transferir el calor.
Debido a las muchas variables involucradas, seleccionar intercambiadores de calor óptimos es un desafío. Es posible realizar cálculos manuales, pero normalmente se necesitan muchas iteraciones. Por ello, los intercambiadores de calor suelen seleccionarse 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 adecuado, los diseñadores de sistemas (o los proveedores de equipos) deben considerar en primer lugar las limitaciones de diseño de cada tipo de intercambiador de calor. Aunque el costo suele ser el criterio principal, hay otros criterios de selección importantes:
Las tecnologías de serpentines de diámetro pequeño se están volviendo más populares en los sistemas de aire acondicionado y refrigeración modernos porque tienen mejores tasas de transferencia de calor que los serpentines de condensador y evaporador de tamaño convencional con tubos de cobre redondos y aletas de aluminio o cobre que han sido el estándar en la industria de 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 hay dos tecnologías de serpentines de diámetro pequeño disponibles para productos de aire acondicionado y refrigeración: microranura de cobre [28] y microcanal de aluminio soldado. [ cita requerida ]
Para elegir el intercambiador de calor adecuado es necesario conocer los distintos tipos de intercambiadores de calor, así como el entorno en el que debe funcionar la unidad. Normalmente, en la industria manufacturera se utilizan distintos tipos de intercambiadores de calor para un único proceso o sistema con el fin de obtener el producto final. Por ejemplo, un intercambiador de calor de caldera para precalentamiento, un intercambiador de calor de doble tubo para el fluido "portador" y un intercambiador de calor de placas y bastidores para el enfriamiento final. Con un conocimiento suficiente de los tipos de intercambiadores de calor y los requisitos de funcionamiento, se puede realizar 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 suciedad.
Al calcular periódicamente el coeficiente de transferencia de calor general a partir de los caudales y temperaturas del intercambiador, el propietario del intercambiador de calor puede estimar cuándo es económicamente atractivo limpiar el intercambiador de calor.
La inspección de la integridad de los intercambiadores de calor de placas y tubos se puede realizar in situ mediante los métodos de conductividad o de 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 puede realizarse mediante métodos no destructivos como pruebas de corrientes de Foucault .
Las incrustaciones se producen cuando se depositan impurezas en la superficie de intercambio de calor. La deposición de estas impurezas puede reducir significativamente la eficacia de la transferencia de calor con el tiempo y se debe a lo siguiente:
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 la refinación 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 tubo generalmente 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. El ensuciamiento ocurre en el lado del crudo de estos intercambiadores debido a la insolubilidad de los asfaltenos. La naturaleza de la solubilidad de los asfaltenos en el petróleo crudo fue modelada con éxito por Wiehe y Kennedy. [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 al ensuciamiento. El agua de refrigeración normalmente tiene 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 que las temperaturas de la pared son más altas que la temperatura del fluido a granel. Las velocidades bajas del fluido (menos de 3 pies/s) permiten que los sólidos suspendidos se asienten en la superficie de intercambio de calor. El agua de refrigeración normalmente se encuentra en el lado de los tubos de un intercambiador de carcasa y tubos porque es fácil de limpiar. Para evitar el ensuciamiento, los diseñadores normalmente se aseguran de que la velocidad del agua de refrigeración sea mayor de 0,9 m/s y que la temperatura del fluido a granel se mantenga por debajo de los 60 °C (140 °F). Otros enfoques para controlar el ensuciamiento combinan la aplicación "a ciegas" de biocidas y productos químicos antical con pruebas periódicas de laboratorio.
Los intercambiadores de calor de placas y bastidores 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 varillas de perforación.
En los sistemas de agua de refrigeración a gran escala para intercambiadores de calor, se utilizan tratamientos de 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 los sistemas de vapor de las centrales eléctricas, etc., para minimizar la contaminación y la corrosión del intercambiador de calor y otros equipos.
Varias empresas han comenzado a utilizar la tecnología de oscilaciones transmitidas por el agua para evitar 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 serán utilizados.
Los códigos de diseño y fabricación incluyen: Código de calderas y recipientes a presión ASME (EE. UU.); PD 5500 (Reino Unido); BS 1566 (Reino Unido); [32] EN 13445 (UE); CODAP (francés); Reglamento de seguridad de equipos a presión 2016 (PER) (Reino Unido); Directiva de equipos a presión (UE); NORSOK (noruego); TEMA ; [33] API 12; y API 560. [ cita requerida ]
Las fosas nasales humanas funcionan como un intercambiador de calor, ya que se inhala aire frío y se exhala aire caliente. Su eficacia se puede demostrar colocando 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 potenciar con la ropa, por ejemplo, usando una bufanda sobre la cara mientras se respira cuando hace frío.
En las especies que tienen testículos externos (como los humanos), la arteria que va al testículo está rodeada por una red de venas llamada plexo pampiniforme . Esto enfría la sangre que se dirige a los testículos, mientras que recalienta la sangre que regresa.
Los intercambiadores de calor " a contracorriente " se producen de forma natural en los sistemas circulatorios de los peces , las 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 total de calor en agua fría. Los intercambiadores de calor también están presentes en las lenguas de las ballenas barbadas , ya que grandes volúmenes de agua fluyen 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 descienden 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 ráfagas en la producción de calor metabólico, como las asociadas con los guepardos que corren más rápido (durante las cuales la temperatura corporal excede la temperatura máxima a la que el cerebro podría funcionar). [38] Los humanos, al igual que 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 el tamaño del intercambiador de calor utilizado se pueden adaptar para adaptarse a un proceso en función del tipo de fluido, su fase, temperatura, densidad, viscosidad, presiones, composición química y otras propiedades termodinámicas.
En muchos procesos industriales se produce un derroche de energía o se agota una corriente de calor, se pueden utilizar intercambiadores de calor para recuperar este calor y aprovecharlo calentando una corriente diferente en el proceso. Esta práctica permite ahorrar mucho dinero en la industria, ya que el calor suministrado a otras corrientes desde los intercambiadores de calor procedería de una fuente externa que es más cara y más dañina 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 fundamental 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 placas y marcos.
En los aviones comerciales se utilizan intercambiadores de calor para tomar calor del sistema de aceite del motor y calentar el 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]
Se estima que la demanda mundial de intercambiadores de calor, que se estima en 17 500 millones de dólares en 2021, experimentará un sólido crecimiento de alrededor del 5 % anual durante los próximos años. Se espera que el valor de mercado alcance los 27 000 millones de dólares en 2030. Con un creciente deseo 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 intercambio de calor simple [43] [44] podría considerarse como dos tuberías rectas con flujo de fluido, que están conectadas térmicamente. Sea que las tuberías tengan la misma longitud L y transporten fluidos con capacidad calorífica (energía por unidad de masa por unidad de cambio de temperatura) y sea que el caudal másico de los fluidos a través de las tuberías, ambos en la misma dirección, sea (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. Supongamos un estado estable, 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 hacia el elemento de fluido en la otra tubería en la misma posición, es decir, no hay transferencia de calor a lo largo de una tubería debido a las diferencias de temperatura en esa tubería. Por 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 intercambio de calor en contracorriente el signo es opuesto en la segunda ecuación delante de ), donde es la energía térmica por unidad de longitud y γ es la constante de conexión térmica por unidad de longitud entre las dos tuberías. Este cambio en la energía interna da como resultado un cambio en la temperatura del elemento fluido. La tasa de cambio temporal para el elemento fluido que es arrastrado por el flujo es:
donde es el "caudal másico térmico". Las ecuaciones diferenciales que rigen el intercambiador de calor pueden escribirse ahora como:
Como el sistema está en estado estable, 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 "caudal másico térmico" en ambas direcciones opuestas, el gradiente de temperatura es constante y las temperaturas son lineales en la posición x con una diferencia constante a lo largo del intercambiador, lo que explica por qué el diseño de contracorriente del intercambio en contracorriente es el más eficiente)
y A y B son dos constantes de integración aún no determinadas. Sean y las temperaturas en x=0 y y las temperaturas al final de la tubería en x=L. Defina las temperaturas promedio en cada tubería como:
Utilizando las soluciones anteriores, estas temperaturas son:
Si elegimos dos de las temperaturas anteriores, eliminamos las constantes de integración, lo que nos permite encontrar las otras cuatro temperaturas. Hallamos la energía total transferida integrando las expresiones para la tasa de cambio temporal de la energía interna por unidad de longitud:
Por la 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 para transferir energía térmica.
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