Los intercambiadores de calor de placas de almohada son una clase de diseño de intercambiador de calor completamente soldado , que exhibe una superficie ondulada en forma de almohada formada por un proceso de inflación. En comparación con 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 también como intercambiadores de calor “tipo placas” y como camisas para enfriar o calentar recipientes. Los equipos de placa almohada actualmente están experimentando una mayor atención e implementación en la industria de procesos.
Las placas de almohada se fabrican mediante un proceso de inflado, en el que dos finas láminas de metal se sueldan por puntos entre sí en toda la superficie mediante soldadura por láser o por resistencia . Los lados de las placas están sellados mediante soldadura de costura, excepto los puertos de conexión. Finalmente, el espacio entre las delgadas láminas de metal es presurizado por un fluido hidráulico provocando una formación plástica de las placas, lo que eventualmente conduce a su característica superficie ondulada.
En principio, existen dos tipos diferentes de placas tipo almohada: con relieve simple y con relieve doble. Los primeros comúnmente forman las paredes dobles de los recipientes con camisa , mientras que los segundos se ensamblan en una pila (banco) para fabricar intercambiadores de calor de placas tipo almohada. Las placas de almohada con 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 soporte suelen estar equipadas con soldaduras de costura "deflectoras", que ofrecen una guía de flujo específica en los canales de la placa de soporte en los casos en que la distribución del flujo o la velocidad del fluido puedan ser un problema. Recientemente se ha propuesto en [1] un método para obtener guía de flujo mediante deflectores en los canales entre placas de almohada adyacentes en intercambiadores de calor de placas de almohada.
Debido a su construcción, las placas de almohada están selladas herméticamente, tienen una alta estabilidad estructural y su fabricación es en su mayor parte automatizada y altamente flexible. Las placas de almohada pueden funcionar a presiones > 100 MPa [ cita necesaria ] y temperaturas de hasta 800 °C.
El uso de las placas tipo almohada es muy amplio 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 almohada o tanques con camisa de placas almohada. La superficie externa relativamente plana es fácil de limpiar y adecuada para aplicaciones sanitarias o de alta contaminación, pero la superficie interna tiene costuras finas alrededor de cada punto de soldadura y no es fácil de limpiar, por lo que la superficie interna solo es adecuada para fluidos no contaminantes como el agua. , vapor o refrigerantes.
Los bancos de placas tipo almohada se utilizan normalmente en aplicaciones que involucran líquido-líquido, gas-líquido, medios sucios o de alta viscosidad, requisitos de baja pérdida de presión, condensación (por ejemplo, condensadores superiores), evaporación de película descendente (por ejemplo, industria de papel y pulpa), hervidores , 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. Se pueden construir bancos para permitir que las placas individuales se separen de la pila, lo que permite una fácil limpieza o mantenimiento.
La aplicación más amplia de las placas tipo almohada hasta la fecha es con recipientes con camisa , debido a su flexibilidad, cobertura total de la superficie para la transferencia de calor, baja retención de fluido, costos y tiempo de fabricación favorables y fácil limpieza, especialmente en aplicaciones estériles. Los tanques pueden estar equipados con múltiples camisas sobre su superficie, incluyendo también el fondo del tanque, por ejemplo cónico o abombado , y pueden incluir carcasas cilíndricas adicionales dentro del tanque. Las áreas típicas de implementación de tanques con camisa de placa almohada son la industria de alimentos y bebidas, así como la industria química y farmacéutica. Estas chaquetas también se denominan "chaquetas con hoyuelos".
Debido a su flexibilidad geométrica, las placas tipo almohada se pueden personalizar/adaptar a casi cualquier geometría para ofrecer una transferencia de calor específica donde sea necesario. Algunos ejemplos son la refrigeración de tuberías en procesos térmicos o incluso paquetes de baterías y motores eléctricos para vehículos eléctricos en la industria del automóvil.
A diferencia de los intercambiadores de calor más convencionales, el conocimiento del rendimiento termohidráulico de las placas de soporte y la experiencia con su diseño son limitados. Para superar este cuello de botella, actualmente se están realizando esfuerzos para desarrollar herramientas de software comerciales. Puede encontrar una descripción general de los últimos avances en placas tipo almohada en [2]
La investigación sobre placas de soporte se puede subdividir en tres categorías principales: análisis geométrico, análisis del flujo de fluidos y transferencia de calor en placas de soporte y análisis del flujo de fluidos y transferencia de calor en el espacio entre placas de soporte adyacentes.
Se han propuesto métodos para el cálculo del área de superficie, volumen de retención de fluido, área de sección transversal y diámetro hidráulico, necesarios en los cálculos termohidráulicos. [3] Los parámetros geométricos mencionados se determinaron mediante análisis de elementos finitos (MEF), que Imita el proceso de inflado durante la fabricación de placas de almohada. Además, las presiones teóricas de estallido de las placas de soporte podrían estimarse con FEM.
La compleja geometría ondulada en los canales de las placas de soporte favorece la mezcla de fluidos, lo que conduce a velocidades de transferencia de calor favorables , pero también es desfavorable para la pérdida de presión (formación de zonas de recirculación tras los puntos de soldadura). La información sobre el flujo de fluido y la transferencia de calor en placas de soporte está disponible en [4] , mientras que las correlaciones para el cálculo del factor de fricción de Darcy y el número de Nusselt en placas de soporte sobre una amplia gama de variaciones de parámetros geométricos y condiciones de proceso se encuentran en [4] . 5]
De manera similar a los canales internos de las placas de almohada, los canales formados entre placas de almohada 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 exteriores es significativamente menor que en los interiores 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 fluido y la transferencia de calor en los canales exteriores de los intercambiadores de calor de placas tipo almohada 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 que cae sobre la superficie de las placas de soporte. [7]