¿Cómo funciona un intercambiador de calor?

Utilizados para transferir calor entre un fluido (ya sea líquido o gas) y otro fluido (otro líquido o gas) sin permitir que los dos fluidos entren en contacto directo entre sí, los intercambiadores de calor se utilizan tanto en procesos de calentamiento como de enfriamiento.

Intercambiadores de calorse utilizan en una variedad de aplicaciones que incluyen aire acondicionado, plantas químicas, plantas petroquímicas, refinerías de petróleo, centrales eléctricas, procesamiento de gas natural, refrigeración, tratamiento de aguas residuales y calefacción de espacios. También se pueden encontrar en motores de combustión interna, donde permiten que el refrigerante del motor fluya a través de los serpentines del radiador a medida que el aire pasa por ellos, enfriando el refrigerante mientras calienta el aire.

Un intercambiador de calor funciona permitiendo que el calor de un fluido pase a otro fluido más frío sin que se mezclen o entren en contacto directo.

Por ejemplo, imagine una tubería con otra tubería alrededor. El tubo interior podría permitir que un fluido caliente pase a través de él mientras que un fluido más frío pasa simultáneamente a través del tubo exterior. Esto permitiría que el fluido más frío reduzca la temperatura del más caliente, ya que el fluido más caliente aumenta simultáneamente el calor del más frío. Por supuesto, este es un ejemplo muy básico de intercambio de calor, y hay una serie de otros factores a considerar al investigar los intercambiadores de calor:

1. Pases

Al curvar las tuberías, por ejemplo en forma de "S", puede permitir que los fluidos hagan más de una "pasada" antes de salir del intercambiador de calor. Un solo paso es una tubería recta, donde el fluido entra por un extremo y sale por el otro extremo del intercambiador de calor con bastante rapidez. Un paso doble utiliza forma de U-, de modo que el fluido entra y sale del intercambiador de calor por el mismo extremo, prolongando el tiempo que los fluidos pasan entre sí-en el intercambiador de calor. Un paso triple utiliza una formación en forma de 'S' que permite que el fluido viaje a lo largo del intercambiador de calor tres veces antes de salir. Cuanto mayor sea el número de pasadas, mayor será la cantidad de transferencia de calor disponible, simplemente porque los fluidos permanecen juntos en el sistema durante más tiempo, aunque esto también puede provocar caídas de presión y pérdida de velocidad.

2. Cruce de temperatura-

El cruce de temperatura-se produce cuando el calor del fluido más frío comienza a cruzarse con la temperatura del fluido caliente en el intercambiador de calor. Por ejemplo, el aceite que ingresa a un intercambiador de calor a 80⁰C junto con el agua a una temperatura de 30⁰C, podría ver sus temperaturas cruzarse-si el aceite se reduce a 50⁰C cuando el agua alcanza los 51⁰C. En este punto, el fluido más frío (agua) se ha calentado más que el aceite. El cruce de temperatura-puede reducir significativamente la eficiencia de un intercambiador de calor, especialmente cuando se enfría. Esto se puede evitar aumentando el caudal del refrigerante (consulte 'Caudal' a continuación), de modo que haya más refrigerante en el sistema. Cuando el cruce de temperatura es inevitable, la mejor solución es utilizar un intercambiador de calor de placas (consulte 'Tipos de intercambiador de calor, a continuación).

3. Diferencial de temperatura

Esto se refiere a la diferencia de temperatura entre el refrigerante y el fluido caliente, que es importante en un intercambiador de calor, como se muestra en el 'cruce de temperatura' (arriba). El refrigerante debe mantenerse a una temperatura más baja que el fluido caliente y, cuanto más frío esté el refrigerante, más eficaz será para extraer calor del fluido caliente.

4. Caudal

Esta es la cantidad de fluido que pasa a través de una-sección transversal de una tubería en un período de tiempo específico. Se calcula como el volumen de fluido por el tiempo que el fluido ha fluido - con un mayor caudal que potencialmente aumenta la capacidad del intercambiador de calor para transferir calor. Sin embargo, más fluido también significa una mayor masa para transportar, además de una mayor pérdida de presión y velocidad.

Los intercambiadores de calor se pueden clasificar según la disposición del flujo o según el diseño del propio intercambiador de calor.

Las tres clasificaciones principales de disposición de flujo que se encuentran en los intercambiadores de calor son flujo-paralelo, contraflujo y flujo-cruzado:

• Flujo paralelo:Los dos fluidos entran por el mismo extremo del intercambiador de calor y viajan en paralelo antes de salir juntos.
• Contraflujo:Los fluidos entran por lados opuestos del intercambiador de calor y viajan a través del sistema en direcciones opuestas. Esta es la disposición de flujo más eficiente, ya que la diferencia de temperatura promedio entre los fluidos sigue siendo mayor en todo el sistema.
• Flujo-cruzado:En esta forma de intercambiador de calor, los fluidos viajan perpendiculares (en ángulos rectos) entre sí.

Además de la disposición del flujo, los intercambiadores de calor se pueden clasificar por tipo, según el diseño físico del intercambiador de calor:

• Doble Tubería:Este es el tipo de intercambiador de calor más sencillo utilizado por la industria. Como sugiere el nombre, se componen de dos tubos por los que pueden fluir líquidos. La configuración de flujo puede ser paralela o en contracorriente, siendo el contraflujo más eficiente mientras que el flujo paralelo es mejor si es necesario llevar los dos fluidos a la misma temperatura. Estos intercambiadores de calor son fáciles y económicos de diseñar y mantener, pero tienen un nivel de eficiencia relativamente bajo en comparación con otros diseños.
• Carcasa y tubo:Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos utilizan un conjunto de tubos metálicos a través de los cuales fluye un fluido, rodeados por una carcasa sellada a través de la cual fluye el segundo fluido. Este tipo de intercambiador de calor funciona con todo tipo de flujo: paralelo, contrario y cruzado- y se puede encontrar en locomotoras de vapor. Los deflectores se utilizan para dirigir el flujo de fluido, inducir vibraciones en el fluido y soportar los tubos, mientras que las aletas también se pueden usar con tecnologías enfriadas por aire-(como intercooler de motores de combustión) para aumentar el área de transferencia de calor.
• Placa/Aleta:Este tipo de intercambiador de calor utiliza pilas de placas metálicas delgadas que se mantienen separadas por aletas para formar niveles, muy parecidos a los pisos de un edificio. Sin embargo, cada uno de estos 'pisos' es autónomo-y está separado del de arriba o de abajo, creando una serie sellada de tubos a través de los cuales pueden fluir los fluidos. Esto crea una gran superficie que es capaz de intercambiar calor rápidamente y al mismo tiempo garantiza el flujo de fluido en toda la superficie de transferencia de calor, evitando el estancamiento y la acumulación de fluido. Las placas se pueden crear en diferentes tamaños, profundidades y formas, incluidas placas corrugadas, placa y marco, placa y carcasa o placas en espiral. Una alta turbulencia de flujo entre las placas crea una mayor transferencia de calor y una disminución de la presión. Este tipo de intercambiador de calor se utiliza en aplicaciones como hornos y calderas de gas.
• Enfriado por aire:Este tipo de intercambiador de calor se encuentra comúnmente en vehículos y otras aplicaciones móviles donde no hay agua fría disponible. En lugar de dos líquidos, los sistemas enfriados por aire utilizan aire frío de un ventilador o un flujo de aire causado por el movimiento del propio vehículo.
• Condensadores, Calderas y Evaporadores:Este tipo de intercambio de calor merece una mención especial ya que funciona de forma ligeramente diferente a las ya descritas. En lugar de insertar dos fluidos (frío y caliente), utilizan el enfriamiento y la condensación de un gas caliente en forma líquida (y viceversa) para crear un ciclo de transferencia de calor. Este es el proceso utilizado por las turbinas de vapor y los generadores de vapor, que utilizan el ciclo de vaporizar el agua hasta convertirla en vapor y su posterior enfriamiento hasta convertirla en líquido.
• Recuperadores:Un recuperador es un intercambiador de calor diseñado para capturar el calor que de otro modo se perdería, como el calor que se ventila desde un edificio. El aire caliente se dirige hacia afuera a través de un canal junto a un canal entrante separado de fluido frío para crear un contraflujo. Así es como funciona un sistema de ventilación con recuperación de calor-, que permite ventilar un edificio con aire fresco sin perder todo el calor del aire más cálido que sale.
• Regeneradores:Este tipo de intercambiador de calor permite que los fluidos entrantes y salientes se muevan a través del mismo canal en direcciones opuestas en diferentes momentos. A medida que el fluido caliente sale, cede parte de su calor y luego, a medida que el fluido frío entra, recoge parte del calor residual que quedó allí. Este tipo de intercambio de calor se utiliza en un motor Stirling, que utiliza un pistón para empujar el gas atrapado hacia adelante y hacia atrás entre una fuente de calor (como un fuego) y un área más fría, o "sumidero", donde se pierde el calor. Este tipo de intercambiador de calor reduce la pérdida de calor en un sistema "regenerando" el calor.

Los intercambiadores de calor se utilizan para una amplia gama de aplicaciones tanto en usos industriales como cotidianos.

Si bien los intercambiadores de calor vienen en una variedad de diseños y sistemas de flujo diferentes, todos funcionan de manera similar; permitiendo el contacto térmico entre un fluido más caliente y uno más frío (sin realmente mezclarse), de modo que los dos fluidos se calienten o enfríen-entre sí en consecuencia.

Esto mejora la eficiencia de los vehículos y otras unidades, además de ahorrar costes y reducir el consumo de energía (y cualquier impacto ambiental asociado).

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