Transferencia de calor

¿Qué se entiende por Intercambiador de calor? Un Intercambiador de calor es un dispositivo que de manera continua transfiere calor de un medio a otro. Existen dos categorías principales de intercambiadores térmicos: directos e indirectos.

Intercambiador de calor directo, en el cual ambos fluidos entran en contacto directo. Se asume que los fluidos no se mezclan entre sí. Un ejemplo ilustrativo de este tipo de intercambiador es la torre de enfriamiento, donde el agua se enfría mediante su contacto directo con el aire. Intercambiador de calor indirecto, donde ambos fluidos están separados por una barrera a través de la cual se efectúa la transferencia de calor. Los intercambiadores térmicos indirectos se presentan en diferentes tipos principales (placas, carcasa y tubos, espirales, etc.). En la mayoría de los casos, los intercambiadores de placas representan la opción más eficiente, ofreciendo una solución óptima a los desafíos térmicos, con los márgenes más amplios de presión y temperatura dentro de las restricciones del equipo en uso.

Concepto de Intercambiador de calor Principios de la Transferencia de Calor Las leyes fundamentales de la física dictaminan que la energía térmica fluye en un sistema hasta que se logra el equilibrio. El calor fluye desde el cuerpo o fluido más caliente hacia el más frío siempre que exista una diferencia de temperatura, transfiriéndose al medio más frío.

Los intercambiadores térmicos se basan en este principio en su búsqueda de igualación térmica. En el caso de intercambiadores de placas, el calor traspasa la superficie que separa los fluidos caliente y frío con gran eficiencia. Así, es posible calentar o enfriar líquidos o gases con niveles mínimos de energía. La teoría de la transferencia de calor entre medios o fluidos se rige por diversas normas fundamentales:

El calor siempre fluye desde un medio más caliente hacia uno más frío. La existencia de una diferencia de temperatura entre los medios es imperativa. El calor cedido por el medio caliente equivale al calor ganado por el medio frío, excluyendo las pérdidas al entorno. Variantes de Intercambiadores Térmicos Tal como se mencionó previamente, existen dos tipos principales de intercambiadores térmicos:

Intercambiador de calor directo, donde ambos fluidos entran en contacto directo. Se asume que los fluidos no se mezclan. A modo de ejemplo, se encuentra la torre de refrigeración, en la cual el agua se enfría mediante su exposición directa al aire. Intercambiador de calor indirecto, donde dos fluidos están separados por una superficie a través de la cual se efectúa la transferencia de calor. En este contexto, nos enfocaremos exclusivamente en los intercambiadores térmicos indirectos, en los cuales los fluidos no se mezclan pero el calor se transfiere a través de superficies de intercambio. Las pérdidas de temperatura por radiación se pueden obviar al considerar intercambiadores térmicos en este marco. Estos dispositivos están disponibles en diferentes variantes principales (placas, tubos múltiples, espirales, entre otros).

Los intercambiadores térmicos más comúnmente empleados en la industria son:

Intercambiador de calor soldados

Intercambiador de calor a placas de acero inoxidable

Intercambiador de calor con placas y juntas

Operación de un Intercambiador de calor de Placas Esta animación ilustra el principio de funcionamiento de un Intercambiador de calor de placas con juntas de un solo paso para líquidos/líquidos. En este proceso, los fluidos circulan en sentido contrario a través del Intercambiador de calor. El fluido caliente (representado en rojo) generalmente ingresa a través de una de las conexiones superiores y sale por la conexión inferior. Por otro lado, el fluido frío (en azul) entra por una de las conexiones inferiores y sale por la conexión superior.

Durante el recorrido a través del Intercambiador de calor, el calor se transfiere de los medios calientes a los fríos. El flujo en contracorriente permite una máxima recuperación de calor y puede lograr una aproximación muy cercana a la temperatura deseada. Incluso es posible alcanzar una temperatura cruzada, donde la salida caliente puede ser más fría que la salida fría. Este fenómeno es más limitado en los intercambiadores de tubos, lo que hace que los intercambiadores térmicos de placas sean más eficientes desde el punto de vista térmico.

Mecanismo de Funcionamiento del Intercambiador de calor de Placas Los fluidos ingresan a través de conexiones y aberturas en las placas de transferencia de calor. Las juntas de sellado especialmente diseñadas, posicionadas entre las placas, guían los fluidos para que fluyan en direcciones opuestas a través de canales alternos. Cuando el fluido entra entre las placas, pasa sobre el área de distribución. Alfa Laval presenta dos tipos de áreas de distribución: la patentada CurveFlowTM y el patrón de chocolate. La eficacia de la transferencia de calor se maximiza al garantizar un flujo uniforme de fluido sobre toda la placa, al mismo tiempo que se minimiza la mala distribución y el ensuciamiento. En la animación, se puede observar cómo el área de distribución facilita el rápido llenado de los canales entre las placas.

Para fluidos especialmente sensibles al calor, se utiliza un flujo paralelo en los intercambiadores térmicos de placas con juntas. La ventaja de este diseño es que el fluido más frío entra en contacto con el fluido caliente al ingresar al Intercambiador de calor, lo que reduce el riesgo de sobrecalentamiento o congelación de los medios sensibles. En la animación, se puede visualizar que el fluido caliente está invertido, permitiendo que ambos fluidos ingresen por las conexiones inferiores.

Si bien la animación presenta el funcionamiento de intercambiadores térmicos de placas con juntas convencionales, el mismo principio es válido para modelos especializados como los intercambiadores térmicos de placas semisoldadas y WideGap.

Factores de Eficiencia en Intercambiadores Térmicos de Placas El factor determinante en la eficiencia energética de un Intercambiador de calor de placas radica en su eficiencia térmica o eficiencia del proceso. Esta relación establece cómo la energía térmica absorbida y liberada se relacionan, es decir, qué porcentaje del calor se transfiere realmente entre los dos medios. En términos teóricos, solo se puede alcanzar el 100 por ciento de eficiencia. No obstante, en condiciones prácticas, siempre existen pequeñas pérdidas hacia el entorno en los intercambiadores térmicos. La eficiencia térmica se acerca al 100 por ciento solo en dispositivos avanzados, como los intercambiadores térmicos de Alfa Laval. Por contraste, la eficiencia térmica de intercambiadores térmicos de categoría inferior suele ser sorprendentemente baja.

En la mayoría de las situaciones, los intercambiadores térmicos de placas son los más eficientes. En general, brindan la solución óptima a desafíos térmicos, ofreciendo márgenes amplios de presión y temperatura dentro de los límites de los equipos existentes.