INTERCAMBIADORES
DE CALOR
CLASIFICACIÓN
DE LOS INTERCAMBIADORES.
Un intercambiador de calor es un dispositivo en el que se da un
intercambio de calor entre dos corrientes fluidas, una caliente y otra fría(en
términos relativos). Estos dispositivos aparecen en calentadores o
refrigeradores de aire, calentadores de agua, calderas, condensadores,
radiadores de automóviles... Dependiendo de si existe o no contacto entre los
fluidos, podemos distinguir entre:
1-.Intercambiadores
de contacto directo o de mezcla:
En ellos, los fluidos
sufren una mezcla física completa, y su principal aplicación se da en torres de refrigeración o torres húmedas y
en los enfriadores de gases.
2-.Intercambiadores de contacto indirecto:
En ellos, no se produce la
mezcla de los fluidos que intervienen. Éstos, subdividen a su vez en dos
grupos:
2.1-.Alternativos o dinámicos:
Son aquellos en los
que se utiliza una masa sólida acumuladora del calor. Ambos fluidos circulan
por la masa , bien de forma alternada, en cuyo caso se denominan recuperadores
o regeneradores, o bien por rotación de la masa, en cuyo caso reciben el nombre
de intercambiadores rotativos.
Aunque no se da
coincidencia entre los fluidos, se pueden contaminar debido al arrastre de
partículas, lo cual invalida su uso.
2.2-.Intercambiadores de superficie o estáticos:
Son aquellos en los que
los fluidos intercambiadores de calor se hallan separados por una superficie
conductora sólida, plana o cilíndrica. Además de la conductividad del sólido,
es también importante el coeficiente de película entre la superficie y el
sólido, por lo que se considerará el coeficiente global de transmisión del
intercambiador.
Como no se da contacto
entre los fluidos, éstos no pueden contaminarse entre sí, como ocurría en los
de contacto directo, y esta es una de las causas por las que son más utilizados en la
industria.
En función de la
dirección relativa de los fluidos se pueden hacer dos grupos:
2.2.1-.Intercambiadores de flujo cruzado:
Son aquellos en los
que las corrientes fluidas circulan formando entre sí un ángulo diferente de
cero grados, y se utilizan principalmente en intercambiadores de calor
líquido-gas.
Hay que tener en cuenta que
el análisis se puede hacer muy complejo si consideramos que la
temperatura del fluido, además de variar en la dirección del mismo, lo puede
hacer en la dirección perpendicular. En estos casos, la temperatura dependerá
de dos coordenadas.
Además, puede permitirse o
no la mezcla de cada fluido en la dirección transversal a la de su flujo,
denominándose mezclado y no mezclado,
respectivamente, a cada uno de estos casos.
2.2.2-.Intercambiadores de superficie de flujo paralelo o cambiadores
de calor en serie:
En estos cambiadores, ambos
fluidos circulan en direcciones paralelas, y se utilizan principalmente en los
intercambios térmicos líquido- líquido. Dependiendo del sentido entre los
flujos se clasifican en dos grupos:
2.2.2.1-.Equicorrientes:
Se da cuando ambos flujos tienen el mismo
sentido de circulación.
Estos cambiadores se
caracterizan por poner en contacto la temperatura más alta del fluido caliente
con la más baja del fluido frío, y viceversa, de modo que las temperaturas se
acercan asintóticamente. La diferencia de temperaturas iniciales es muy grande,
pero disminuye rápidamente a medida que avanzamos en el cambiador.
2.2.2.2-.Contracorrientes:
Se da cuando los flujos tienen
sentido de circulación contrario.
En ellos, toman contacto
entre sí las temperaturas altas de ambos
fluidos y viceversa, de modo que la diferencia de temperaturas entre los
fluidos es mas o menos constante a lo largo del proceso. Además, presentan la
ventaja de que podemos calentar el fluido frío a una temperatura superior a la
de salida del fluido caliente.
Otro tipo de intercambiadores
de calor a contracorriente son los de cambio de estado.El fluido caliente se
enfría hasta su temperatura de condensación para luego subenfriarse, mientras
el fluido frío se va calentando progresivamente.
Otra posible clasificación
que se le puede dar a los intercambiadores de flujo paralelo es según su
construcción.
Intercambiadores de
placas:
Estos intercambiadores están
formados por una serie de placas
metálicas, de tamaño normalizado por cada constructor, que se acoplan unas a
otras en mayor o menor número, según las necesidades térmicas, en un bastidor
metálico que las sostiene.
Las placas tienen unas
aberturas para poder deslizar por las guías (una superior y otra inferior) del
bastidor. Además, éste consta de dos placas frontales, una fija y otra móvil,
unidas por una serie de tirantes para lograr la presión necesaria para el
cierre hermético del conjunto.
Las ventajas de los
intercambiadores de placas son las siguientes:
- .La velocidad de
circulación de los fluidos es menor, y por lo tanto, el riesgo de ensuciamiento. Esto es debido a la elevada
turbulencia en la circulación de los fluidos, pues se consigue el régimen
turbulento para números de Reynolds más bajos.
- El coeficiente de
transmisión superficial es elevado, por lo que también lo es el coeficiente
global de transmisión.
- .Las pérdidas de calor son
bajas, pues sólo se dan en los bordes de las placas, y además, éstas se pueden
aislar por ser de poco espesor.
- Ocupan poco espacio, al
tener una relación de intercambio de volumen muy alta.Esto presenta además la
ventaja de que la cantidad de fluido por unidad de superficie de intercambio es
menor, lo que supone menores pérdidas de fluido al desmontarlo, menos problema
de depósito de fluidos...
- .Su mantenimiento es
fácil, debido a que se desmonta sin dificultad y las piezas son sustituidas si
problemas. Además, gracias a la accesibilidad a ambas caras de la placa, la
limpieza resulta cómoda.
- La sustitución de juntas
se puede realizar de modo inmediato, lo que reduce el vertido de fluidos al
exterior.
- Son más baratos que los
multitubulares en el caso de que se requieran materiales especiales para su
construcción.
Por otro lado presentan otra
serie de inconvenientes:
- .La junta de unión entre
las placas no soporta temperaturas superiores a los 250ºC ni presiones mayores
de 20 atmósferas, lo que supone una gran limitación.
- .Se da una mayor pérdida
de presión en la circulación de los fluidos.
- El coste, a no ser en casos especiales,
es mayor que en los tubulares.
Los materiales con los que
se construyen varían dependiendo de los fluidos que vayan a recorrerlos. Las
principales características que han de tener son las siguientes:
- - no ser reactivos con los fluidos que
intervienen
- - facilidad de deformación
por prensado
- - baja resistencia térmica.
Intercambiadores tubo- carcasa:
Este tipo de intercambiadores
está formado por un haz de tubos, por el interior de los cuales circula uno de
los fluidos, fijados a unas chapas taladradas por las que circula el otro
fluido. El conjunto es colocado en el interior de un recinto, generalmente
cilíndrico, denominado carcasa.
El fluido que penetra en los
tubos entra y sale por unos colectores situados entre las chapas, mientras que
el fluido que circula por el exterior entra y sale por colectores situados
entre las chapas y las cabezas de la carcasa.
Perpendicularmente al haz de
tubos se colocan placas deflectoras para garantizar la distribución
uniforme del fluido que circula por el
exterior de los tubos.
Estos intercambiadores pueden
ser de flujo paralelo a equicorriente o contracorriente, dependiendo de si los
sentidos de circulación de los fluidos de dentro y fuera de los tubos coincide
o no.
A estos intercambiadores, se
los denomina genéricamente de un paso por los tubos y otro por la carcasa, pero
podemos diseñarlos de tal modo que el fluido del exterior de los tubos recorra
una vez la mitad de los mismos, invierta su sentido de circulación, y recorra
luego la otra mitad. A este tipo de intercambiadores se los denomina de un paso
por la carcasa y dos por los tubos.
Del mismo modo se pueden
conseguir tantos pasos por los tubos por cada paso por la carcasa como se
desee. Este tipo de intercambiadores suele darse en los condensadores de vapor.
