En los sistemas de refrigeración ocurre que el calor debe ser transferido de un lugar a otro, o bien, de un fluido a otro. Los intercambiadores de calor realizan una transferencia de calor con 2 o más fluidos. Se debe tener en mente que el calor sólo se transfiere en una sola dirección, del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura. En los intercambiadores de calor los fluidos utilizados no están en contacto entre ellos, el calor es transferido del fluido con mayor temperatura hacia el de menor temperatura al encontrarse ambos fluidos en contacto térmico con las paredes metálicas que los separan.

Intercambiador Casco-Tubo

Este Intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado casco. El flujo de fluido dentro de los tubos se le denomina comúnmente flujo interno y aquel que fluye en el interior del contenedor como fluido de carcaza o fluido externo. En los extremos de los tubos, el fluido interno es separado del fluido externo del casco por la(s) placa(s) del tubo. Los tubos se sujetan o se sueldan a una placa para proporcionan un sello adecuado. En sistemas donde los dos fluidos presentan una gran diferencia entre sus presiones, el líquido con mayor presión se hace circular típicamente a través de los tubos y el líquido con una presión más baja se circula del lado del casco. Esto es debido a los costos en materiales, los tubos del intercambiador de calor se pueden fabricar para soportar presiones más altas que el casco del intercambiador con un costo mucho más bajo. Las placas de soporte (support plates) mostradas en figura (1) dirigen el flujo del líquido dentro de la cáscara.

Figura (1)

Intercambiador de Placas

El intercambiador de calor de placas, el cual se muestra en la figura (2). Consiste de placas en lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y frío. Los líquidos calientes y fríos se alternan entre cada una de las placas y los bafles dirigen el flujo del líquido entre las placas. Ya que cada una de las placas tiene un área superficial muy grande, existe mayor transferencia térmica entre cada uno de los líquidos.

Cada dos placas, se forma un canal de circulación. El caudal total del fluido, se divide en partes iguales por la cantidad de placas del intercambiador. Este se vuelve a dividir por la cantidad de sub-canales internos de cada placa. Este hecho, eleva la velocidad de circulación, formándose un flujo turbulento, que optimiza el intercambio de calor y disminuye el riesgo de incrustaciones.

Por lo tanto, un intercambiador de placa es capaz de transferir mucho más calor con respecto a un intercambiador de casco y tubo con volumen semejante, esto es debido a que las placas proporcionan una mayor área que la de los tubos. El intercambiador de calor de plato, debido a la alta eficacia en la transferencia de calor, es mucho más pequeño que el de casco y tubo para la misma capacidad de intercambio de calor.

Los intercambiadores de placas son fácilmente desarmables para su mantenimiento. En caso de incrustaciones se pueden limpiar fácilmente a mano o con hidrolavadora volviendo al servicio con un mínimo tiempo de parada.

Figura (2)

Sin embargo, el tipo de intercambiadores de placa no se utiliza extensamente debido a la dificultad de sellar confiablemente las juntas entre cada una de las placas. Debido a este problema, el tipo intercambiador de placas se ha utilizado solamente para aplicaciones donde la presión es pequeña o no muy alta, por ejemplo en los refrigeradores de aceite para máquinas. Actualmente se cuentan importantes avances que han mejorado el diseño de las juntas y sellos, así como el diseño total del intercambiador de placa, esto ha permitido algunos usos a gran escala de este tipo de intercambiador de calor. Así, es más común que cuando se renuevan viejas instalaciones o se construyen nuevas instalaciones el intercambiador de la placa está substituyendo paulatinamente a los intercambiadores de casco y tubo.

Tipos de Flujo en Intercambiadores de Calor en Enfriadores de Líquido

Flujo Paralelo.

Un flujo paralelo existe cuando el fluido interno o de los tubos y el flujo externo fluyen en la misma dirección. El calor se transfiere del fluido de mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, la temperatura de los fluidos se aproxima la una a la otra, es decir que uno disminuye su temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos, más nunca lo alcanza.

Contra Flujo

Se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos. El fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se aproximará a la temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente que el flujo paralelo.

Flujo Cruzado

En el intercambiador de calor de flujo cruzado los fluidos fluyen de manera perpendicular; uno de los fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90. Los intercambiadores de flujo cruzado son comúnmente usados cuando uno de los fluidos presenta cambio de fase y se tiene un fluido circulando por el intercambiador en dos fases.

Un ejemplo típico de este tipo de intercambiador es en los sistemas de condensación de vapor, donde el vapor exhausto que sale de una turbina entra como flujo externo al condensador y el agua fría que fluye por los tubos absorbiendo el calor del vapor, condensándolo para cambiar su fase a líquido. Se pueden condensar grandes volúmenes de vapor de agua al utiliza este tipo de intercambiador de calor.

Intercambiador de un solo paso y múltiples pasos

Un método que combina las características de dos o más intercambiadores y permite mejorar el desempeño de un intercambiador de calor es circular los dos fluidos varias veces dentro de un intercambiador de paso simple. Cuando los fluidos del intercambiador transfieren calor más de una vez, se denomina intercambiador de múltiples pasos. Sí el fluido sólo intercambia calor en una sola vez, se denomina intercambiador de calor de paso simple o de un solo paso.

Comúnmente el intercambiador de múltiples pasos invierte el sentido del flujo en los tubos al utilizar dobleces en forma de "U" en los extremos, es decir, el doblez en forma de "U" permite  incrementar el área de transferencia del intercambiador. Un segundo método para llevar a cabo múltiples pasos es insertar bafles o platos dentro del intercambiador.

En conclusión, el tema de los intercambiadores de calor es bastante amplio debido que cada intercambiador tiene sus variaciones; desde la rugosidad del material para aumentar el área de transferencia, la geometría interior o exterior de los tubos de cobre, o el material (aleación de níquel, titanio, acero inoxidable, etc.) de fabricación que modifica el coeficiente de conducción y convección. Un intercambiador de calor se debe ajustar al tipo de sistema de refrigeración, tomando en cuenta consideraciones técnicas, económicas con el fin de un servicio prolongado, satisfactorio, con menor costo inicial y de operación. Todo es cuestión de diseño. Hay un número ilimitado de alternativas en la selección de equipos de transferencia de calor, para un determinado proceso, pero se debe de buscar el mejor de ellos.

Ahora que se tiene una idea sobre la diferencia de los intercambiadores de calor se puede entender porque los sistemas de refrigeración de líquido Intensity usan el tipo Casco/Tubo en sus intercambiadores de mayor capacidad. Por ejemplo nuestro Mini Chiller Inverter Heat Pump de 3 y 5 toneladas, utiliza un intercambiador de placas, si lo comparamos con nuestro Chiller Modular Heat Pump de 50 toneladas que requiere trabajar a mayor capacidad, por este motivo la unidad trabaja con un intercambiador casco/tubo.

En resumen, la principal diferencia de los intercambiadores Casco-Tubo y Placas es la presión de operación y el área de transferencia. El futuro del Intercambiador de Calor se encuentra en la reducción de espacio a una mayor eficiencia pero nos enfrentamos al reto del desarrollo e innovación de nuevas tecnologías que logren este cometido. En este momento el intercambiador de calor de mayor capacidad es  el Casco y Tubo debido que puede trabajar a gran presión,  pero la tecnología del intercambiador de placas se está mejorando; reforzando juntas de placas y aplicación de nuevos materiales.  

Realizó: DP.

Referencias:

Jaramillo, O. A. (2007). INTERCAMBIADORES DE CALOR. Ciudad de México: Universidad Nacional Autónoma de México.

http://adningenieria.com.ar/productos/intercambiadores-de-calor/intercambiadores-de-calor-a-placas/

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20/12/2016