INTERCAMBIADORES DE CALOR

Un intercambiador de calor es un dispositivo empleado para transferir energía térmica entre dos o más fluidos, entre una superficie sólida y un  fluido o entre partículas sólidas y un fluido, a diferentes temperaturas. Estos dispositivos pueden tener diferentes aplicaciones entre las que se encuentran: evaporadores, condensadores, enfriadores, recuperadores de calor, radiadores de automóvil, etc. En la mayoría de estos dispositivos la transferencia de calor entre los fluidos se lleva a cabo a través de una superficie de intercambio y estos fluidos no se mezclan, sin embargo, existen algunos intercambiadores en los cuales la trasferencia de calor se lleva a cabo mediante la mezcla de dichos fluidos. 

La superficie de intercambio es la superficie del intercambiador de calor que está en contacto directo con los fluidos y a través de la cual se lleva a cabo la transferencia de calor. Entre mayor sea esta superficie de intercambio, mejor será la transferencia de calor, por ello, usualmente se utilizan “aletas” para incrementar esta superficie y reducir la resistencia a la transferencia de calor. 

CLASIFICACIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

• De acuerdo al proceso de transferencia de calor

a) Intercambiadores de contacto indirecto:

En este tipo de intercambiadores las corrientes de flujo se mantienen separadas por una pared que forma la superficie de intercambio. El más común de estos es el de transferencia directa de calor en el cual la energía térmica se transfiere continuamente entre el fluido caliente y el fluido frío, un ejemplo de éste son los recuperadores de calor. Otro tipo de intercambiador que pertenece a esta clasificación es el de almacenamiento: en éste ambos fluidos circulan por la misma superficie de intercambio, de manera intermitente, en estos la superficie de intercambio suele tener una estructura celular, como una matriz. Finalmente, tenemos los intercambiadores de lecho fluidizado, en estos, el intercambiador se encuentra inmerso en el lecho de hogar  y las partículas en combustión se encuentran en contacto directo con la superficie de intercambio.

b) Intercambiadores de contacto directo:

También conocidos como intercambiadores de mezcla. En éstos las corrientes de fluido se encuentran en contacto directo, evidentemente, en estos sistemas se involucra también una transferencia de masa. Algunos de estos involucran un cambio de fase y justamente este cambio de fase es el que funciona como superficie de intercambio. Entre ellos tenemos a los intercambiadores de fluidos no mezclables como son los vapores de aceite y agua o aire. Otro tipo de estos intercambiadores es el de liquido-gas que involucra un gas y un líquido a baja presión (la mayoría de las veces agua), un ejemplo de ellos es una torre de enfriamiento. Por último se presentan los de liquido-vapor en los cuales se mezcla vapor con agua de enfriamiento, el ejemplo más común son los desgasificadores.

• Clasificación de acuerdo al número de fluidos

Aunque la mayoría de los intercambiadores de calor involucra dos fluidos, también existen algunos que trabajan con más corrientes de flujo, estos la mayoría de las veces se utilizan en procesos químicos o procesos de purificación

• Clasificación de acuerdo a su construcción

a) Tubulares:

La mayoría de los intercambiadores de calor son construidos a partir de tubos circulares, sin embargo estos varían de acuerdo a la superficie de intercambio, diámetro, longitud arreglo de tubos, etc. Este tipo de intercambiadores generalmente son utilizados cuando ambos fluidos de trabajo son líquidos y pueden clasificarse en carcasa y tubos, doble tubo, etc. En la siguiente figura muestra un intercambiador de un paso por carcasa y uno por los tubos, y en la figura 3.3 se muestra uno de 1 paso por carcasa y 2 por los tubos.

y en la figura siguientese muestra uno de 1 paso por carcasa y 2 por los tubos.

Estos intercambiadores a su vez se clasifican por letra de acuerdo con el estándar dictado por ASME, de la siguiente forma :

- Clase R. Cuando se tienen altos requerimientos de petróleo para aplicaciones en procesos.

- Clase C. Cuando se trata de requerimientos moderados, son intercambiadores comerciales.

- Clase B. Cuando se utilizan para procesos químicos. 

b) De superficie plana:

Están construidos mediante placas que pueden ser lisas o corrugadas, generalmente no se usan para presiones muy elevadas, los hay de juntas (placas y marco), que consisten en un número de placas rectangulares con un marco rectangular y unidos por juntas para formar una especie de malla o rejilla. Cada placa esta construida en metal corrugado que brinda dirección al flujo y sirve como superficie de transferencia de calor. La desventaja de emplear juntas, es que pueden existir fugas, por lo que también estos equipos pueden ser soldados. 

También existen los intercambiadores de placas tipo espiral, que consisten en dos tiras de metal relativamente largas, separadas por medio de placas, cada fluido tiene su trayectoria separada, por lo que éstos no se mezclan. La altura del canal por el que circulan los fluidos se encuentra entre 1.8 y 4 mm, el objetivo es lograr intercambiadores compactos pero muy eficientes. 

En esta categoría tenemos, finalmente, los intercambiadores de circuito impreso o ultracompactos, están construidos como una especie de panal con pequeñas celdas, éstos pueden ser de flujos cruzados, contraflujo o multipaso, cada corriente de fluido circula por su propio canal, el canal tiene una altura entre 0.1 y 2 mm, por lo que son muy compactos y eficientes, son ampliamente empleados en procesos de criogenia

c) De superficie extendida:

Ya sea que se trate de un intercambiador de placas planas o tubular, usualmente se requiere extender la superficie de intercambio para mejorar la transferencia de calor, para ello se utilizan aletas o placas. Los intercambiadores que las emplean se llaman de superficie extendida.

d) Regeneradores:

Este tipo de intercambiadores utilizan un caloportador intermedio, el principio de funcionamiento es que el calor del portador de calor se transporta al otro por medio de un tercer caloportador que se calienta con el flujo caliente y luego entrega el calor recibido al fluido frío, generalmente tiene le mismo principio que los de almacenamiento. Un ejemplo de ellos son los precalentadores de aire rotativos para las centrales térmicas. 

• Clasificación de acuerdo al arreglo de flujo

a) Un solo paso:

- Paralelo: Las dos corrientes fluyen paralelas entre ellas y en la misma dirección. En este tipo de intercambiadores se presenta una gran diferencia de temperaturas entre el fluido caliente y frío al entrar al intercambiador y esto puede producir grandes esfuerzos térmicos. 

- Contraflujo: Los dos fluidos fluyen paralelos entre ellos pero en dirección opuesta. Estos alcanzan una efectividad más alta que aquellos en paralelo, además no presentan esfuerzos térmicos tan altos. Su configuración se muestra en la figura:

a)     Flujos cruzados:

En este tipo de intercambiadores las corrientes de fluido son normales entre ellas. Termodinámicamente la efectividad de un intercambiador de flujos cruzados estaría entre aquellos en paralelo y los en contracorriente. 

b)     Flujo partido:

En este caso, el fluido que circula por la carcasa, entra justo al centro de la misma y se divide en dos corrientes. Estas corrientes fluyen en dirección longitudinal hasta un difusor que se encuentra en la mitad y que hace que las corrientes de flujo retornen en dirección contraria.

a)     Flujo dividido:

Es muy similar al anterior, sólo que este no presenta el difusor central que hace que retorne el flujo.

b)     Multipaso:

 Podemos encontrar intercambiadores multipaso de flujos cruzados, este puede considerarse como varios intercambiadores del mismo tipo colocados en serie o en paralelo.