Los intercambiadores de calor son equipos utilizados para transferir calor de un medio hacia otro. Estos medios pueden ser líquidos, gaseosos o una mezcla de ambos, y pueden estar separados entre sí por una barrera que impida que se mezclen, o que entren en contacto directo.
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| Intercambiadores de calor industriales. Imagen de serco |
Los intercambiadores de calor suelen mejorar la eficiencia energética de un sistema, llevando la energía calórica de un sistema donde esta energía no sea requerida, a un sistema donde se requiera dicha energía.
En este artículo definiremos el concepto de intercambiadores de calor, cómo funcionan, su clasificación y los principales tipos de intercambiadores de calor utilizados en la industria.
- ✔Introducción a los intercambiadores de calor
- ✔Definición de intercambiadores de calor
- ✔¿Cómo funcionan los intercambiadores de calor?
- ✔Aplicaciones específicas de los intercambiadores de calor
- ✔Clasificación de los intercambiadores de calor
- ✔Principales tipos de intercambiadores de calor
Introducción a los intercambiadores de calor
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| Intercambiador de calor de tubo y coraza. Imagen de ergil |
Uno de los sub productos más atractivos en cualquier tipo de industria es el calor, ya que puede ser aprovechado para realizar otros procesos productivos. La energía térmica puede ser importante para la gran mayoría de los procesos industriales, sin embargo, puede ser perjudicial para otros, causando severos daños y pérdidas en equipos industriales. Por esta razón, es importante disipar este calor al medio ambiente o aprovechando esta energía para realizar otros procesos.
La mayoría de los procesos industriales disponen de mecanismos diseñados para disipar el calor excesivo. Entre los dispositivos más utilizados se encuentran los intercambiadores de calor, los cuales, tienen la particularidad de retirar el calor no deseado del proceso industrial y ayudar a mantener las temperaturas de producción en el rango requerido.
Definición de intercambiadores de calor
Los intercambiadores de calor son equipos utilizados para llevar o transportar la energía térmica desde una fuente de alta, a una fuente de baja. Es decir, son dispositivos utilizados para llevar el calor de un medio a otro con la intención de aprovechar esta energía para un beneficio industrial o doméstico.
Un ejemplo claro de ello, es el aprovechamiento de los gases residuales de una turbina de gas generadora de electricidad, las altas temperaturas de estos gases son utilizados para calentar agua y generar el vapor necesario para accionar una turbina de vapor y generar más electricidad.
Podemos definir a un intercambiador de calor industrial como un dispositivo diseñado específicamente para la transferencia de calor entre medios diferentes. Donde un medio es el fluido de un proceso industrial y el otro medio es un refrigerante que absorbe el calor excesivo.
Los intercambiadores de calor también son comúnmente utilizados para pre-calentar fluidos que ingresan a sistemas que requieren ciertas temperaturas de operación. De modo, que no solo retiran calor, sino que también pueden adicionar calor al fluido de un proceso industrial.
Podemos concluir, que los intercambiadores de calor generalmente son equipos utilizados para retirar calor generado por un proceso industrial, enfriándolo y evitando un aumento descontrolado de la temperatura, y también, pueden ser utilizados para calentar un sistema que requiera temperaturas elevadas para su operación.
¿Cómo funcionan los intercambiadores de calor?
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| Intercambiador de doble tubo. Imagen de gss |
Los intercambiadores de calor tienen un funcionamiento realmente sencillo, basado en poner en contacto un fluido refrigerado con un proceso industrial o un equipo que se encuentre a temperaturas elevadas. De esta manera, se propicia un intercambio de calor entre ambos medios utilizando el principio de conducción térmica de calor.
En algunos casos, ambos medios se encuentran en contacto directo, pero en la mayoría de los intercambiadores de calor industriales suele haber una barrera que separa a ambos medios, con la finalidad de evitar el contacto directo entre ambos.
Los fluidos dentro de los intercambiadores de calor suelen fluir rápidamente, para facilitar la transferencia de calor por convección forzada. Este flujo rápido provoca pérdidas de presión en los fluidos. La eficiencia de los intercambiadores de calor se refiere a lo bien que transfieren el calor, en relación con la pérdida de presión en la que incurren.
La tecnología moderna de los intercambiadores de calor minimiza las pérdidas de presión al tiempo que maximiza la transferencia de calor y cumple otros objetivos de diseño, como soportar altas presiones de los fluidos, resistir las incrustaciones, la corrosión, así como, permitir la limpieza y las reparaciones.
Aplicaciones específicas de los intercambiadores de calor
Entre las principales aplicaciones de los intercambiadores de calor, tenemos:
- Calentar fluidos, aprovechando el calor de un fluido que se encuentre a mayor temperatura
- Enfriar un fluido caliente transfiriendo calor a un fluido más frío
- Hervir un líquido utilizando el calor de un fluido caliente
- Hervir un líquido mientras se condensa un fluido gaseoso más caliente
- Condensar un fluido gaseoso mediante un líquido frío
Clasificación de los intercambiadores de calor
Los intercambiadores de calor pueden clasificarse en tres grandes grupos, en función de:
- La forma de intercambio de calor
- Los estados físicos de los fluidos que interactúan
- El diseño y el patrón de flujo del intercambiador de calor
A continuación, definiremos a cada uno de ellos:
Forma del intercambio de calor
Los intercambiadores de calor pueden clasificarse en función de la forma en que interactúan los fluidos entre sí. Los intercambiadores de calor directo ponen a ambos fluidos en contacto dentro de un sistema de tubos. A pesar de ser un método eficaz, no es recomendable cuando la mezcla de los fluidos pueda ser volátil, o pueda alterar los resultados del proceso industrial. Mientras que los intercambiadores de calor indirectos, mantienen a los fluidos separados entre sí, permitiendo el intercambio térmico a través de una barrera física
Estados físicos de los fluidos que interactúan
Podemos clasificar a los intercambiadores de calor de acuerdo al estado físico de los medios que interactúan dentro del intercambiador de calor, apreciándose tres tipos:
- Intercambiadores de calor gas-sólido
- Intercambiadores de calor líquido-gas
- Intercambiadores de calor líquido-sólido
Diseño y patrón de flujo del intercambiador de calor
Los intercambiadores de calor se presentan en diferentes diseños con patrones variados de flujo de intercambio de calor, entre los cuales tenemos:
- Intercambiadores de calor de flujo paralelo: Estos equipos tienen un diseño que permite que tanto el fluido frío como el caliente se muevan en la misma dirección.
- Intercambiadores de calor de contraflujo: Se encuentran diseñados para permitir que tanto el fluido calentado como el refrigerado, entren por los extremos opuestos del dispositivo. Este es el método más eficaz de intercambio de calor. Este diseño permite la conducción de calor más eficiente entre los fluidos que interactúan por unidad de masa.
- Intercambiadores de calor de flujo cruzado: Conducen el fluido de proceso calentado y el refrigerante en direcciones perpendiculares entre sí.
Principales tipos de intercambiadores de calor
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| Intercambiador de calor de placas. Imagen de carrier |
La aplicación de intercambiadores de calor en los procesos industriales es fundamental para garantizar una productividad óptima. En la actualidad, existen diferentes tipos de intercambiadores de calor adaptados a distintas aplicaciones. Seguidamente, describiremos las variantes más comunes:
Intercambiadores de calor de tubo y coraza
Son equipos integrados por un conjunto de tubos que se encuentran en el interior de una carcasa exterior presurizada. Su funcionamiento es simple. Se canaliza un fluido a través de los tubos más pequeños (por lo general, el fluido caliente) y otro fluido a través de la carcasa exterior para fomentar el intercambio de calor.
Evaporadores y calderas
Los evaporadores y calderas, experimentan un proceso de transferencia de calor bifásico que cambia el estado físico de uno o varios de los fluidos implicados.
Intercambiadores de calor de doble tubo
Los intercambiadores de calor de doble tubo se encuentran conformados por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. El tubo de menor diámetro se encuentra dentro del tubo más grande, de esta manera, se pone en contacto a los dos fluidos. Para elevar la eficiencia de este tipo de intercambio térmico, se suele colocar los fluidos en contrasentido uno del otro (en contracorriente).
Intercambiadores de calor de placas
Se encuentran compuestos de varias placas finas dispuestas en pilas Estas placas crean canales por donde se puede hacer fluir a los fluidos que interactúan. La mayoría de este tipo de intercambiadores de calor permite el intercambio térmico en solo dos medios de fluido, pero existe una variante conocida como intercambiadores de calor de placas y aletas, el cual, permite el paso de múltiples corrientes de fluido a través de sus partes. Mientras que la variante de intercambiador de calor de placas y almohada, eleva la presión del sistema de intercambio, lo que mejora la eficiencia del mismo.
¿Qué son los intercambiadores de calor? by Ing. Bulmaro Noguera is licensed under a Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional License
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