INTERCAMBIADORES DE CALOR 1.-CLASIFICACIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES

INTERCAMBIADORES DE CALOR
1.-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 líquidogas. A continuación representamos uno de estos intercambiadores:
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. La distribución de temperaturas es la
siguiente:
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:
1-.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.
2-.El coeficiente de transmisión superficial es elevado, por lo que también lo es el
coeficiente global de transmisión.
3-.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.
4-.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...
5-.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.
6-.La sustitución de juntas se puede realizar de modo inmediato, lo que reduce el vertido
de fluidos al exterior.
7-.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:
1-.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.
2-.Se da una mayor pérdida de presión en la circulación de los fluidos.
3-.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.