Intercambiadores de Calor
Introducción
La transferencia de calor, es un proceso en el que se intercambia energía calórica entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. La transferencia de calor abarca fenómenos físicos como la conducción y convección, que se deben de comprender antes de proceder a desarrollar metodologías que conduzcan al diseño térmico de los sistemas correspondientes como por ejemplo los que implican procesos de transferencia de calor de un fluido a otro.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
·
Demostrar los conocimientos adquiridos durante
la exposición eh investigación que se generó en 2do Parcial de la materia.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
·
Dar a conocer la información consultada.
· Explicar Intercambiadores de calor.
DEFINICIONES
Transferencia de Calor
Se denomina transferencia de calor, transferencia térmica o transmisión
de calor al fenómeno físico que consiste en el traspaso de
energía calórica de un medio a otro.
Esto ocurre cuando dos sistemas que se encuentran a
distintas temperaturas se ponen en contacto, permitiendo el flujo de
la energía del punto de mayor temperatura al de menor, hasta alcanzar
un equilibrio térmico, en el que se igualan las temperaturas.
El proceso de la transferencia de calor es indetenible (no se lo
puede frenar) aunque ralentizable (se puede desacelerar), empleando barrares y
aislantes. Pero siempre que exista una diferencia de calor en el universo,
el calor tenderá a transferirse a través de los medios disponibles. Dependiendo
de ellos, dicha transferencia podrá darse por tres modos: conducción,
convección y radiación.
Conducción: Se llama
conducción a la transferencia de calor mediante el contacto directo de las
partículas de un material con las de otro, sin transferir materia entre los
cuerpos. Ocurre en todos los estados de
agregación: sólido, líquido o gaseoso, aunque en estos dos
últimos suele preferirse la convección.
Convección: La convección es semejante a la conducción, excepto que ocurre en los casos en que un fluido recibe calor y se mueve para transmitirlo dentro de un espacio donde está contenido. La convección es el transporte de calor por medio del movimiento de un fluido, sea gaseoso o líquido.
Radiación: El último tipo de transferencia de calor es también el único que puede darse en ausencia de contacto y, por ende, también de un medio físico, o sea, en el vacío.
Intercambiador de Calor
Un
intercambiador de calor es un dispositivo usado para transferir energía térmica
(entalpia) entre dos o más fluidos, entre una superficie sólida y un fluido, o
entre partículas sólidas y un fluido a diferentes temperaturas y en contacto
térmico. Las aplicaciones típicas involucran calentamiento o enfriamiento de
una corriente de fluido que puede involucrar evaporación o condensación de
corrientes de fluidos simples o multicomponente. En otras aplicaciones, el
objetivo podría ser recuperar o rechazar calor, pasteurizar, destilar,
concentrar, cristalizar o controlar un fluido de proceso.
ESQUEMA
Como sabemos, el intercambio de calor más básico y que podemos encontrar o tener a la mano es en casa, por supuesto que nos compete centrarnos en las industrias, pero es bueno tener ejemplos básicos gráficos caseros para una mejor compresión.
1. CONDUCCIÓN (MANERA GRÁFICA):
Análisis del Esquema: Aquí podemos observar que el fuego de la vela realiza contacto directo con el metal y conduce “calor” por el mismo metal hacia la mano.
2. CONVECCIÓN (MANERA GRÁFICA):
Análisis del Esquema: Podemos observar que la transmisión de calor
que hay de la llama de fuego existente hacia la tetera hace que las partículas
de agua se agiten y produzca el aumento de temperatura.
3. RADIACIÓN (MANERA GRÁFICA)
Análisis de Esquema: Podemos observar que la transmisión de calor no directa existente es la radiación, transmite su calor hacia los demás cuerpos solidos o fluidos que lo reciben.
CLASIFICACIÓN
Clasificación de
intercambiadores de calor
Los intercambiadores de calor pueden clasificarse
según como sea:
Intercambiadores de contacto directo: Son aquellos dispositivos
en los que los fluidos sufren una mezcla física completa.
Intercambiadores de contacto indirecto: Los intercambiadores de
flujo paralelo (intercambio líquido - líquido) y los cambiadores de flujo
cruzado (intercambio líquido - gas)
Alternativos:
Ambos fluidos recorren un mismo espacio de forma alternada, la mezcla entre los
fluidos es despreciable.
De superficie:
Son equipos en los que la transferencia de calor se realiza a través de una
superficie, cilíndrica o plana, sin permitir el contacto directo.
Tipos de intercambiadores de calor.
Tipos de Intercambiadores según la Dirección del Flujo
Los
intercambiadores de calor se pueden clasificar en muchas formas diferentes. Una
forma consiste en basar la clasificación en las direcciones relativas del flujo
de los fluidos calientes y frío, dando lugar a términos como fluidos paralelos,
cuando ambos fluidos se mueven en la misma dirección; flujo encontrado, cuando
los fluidos se mueven en paralelo pero en sentido opuesto; y flujo cruzado,
cuando las direcciones de flujo son mutuamente perpendiculares.
Flujo Paralelo Los dos fluidos caliente y frío entran por el mismo
extremo del intercambiador y fluyen en la misma dirección intercambiando calor
hasta alcanzar una temperatura próxima la una de la otra, es decir, los fluidos
tratan de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos. El fluido de menor
temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más caliente.
Contraflujo Cada uno de los fluidos entran al intercambiador por
diferentes extremos y se presenta el contraflujo cuando los dos fluidos fluyen
en la misma dirección, pero en sentido opuesto. Este tipo de
intercambiador puede presentar una
temperatura más alta en el fluido frío y más baja en el fluido caliente una vez
realizada la transferencia de calor ,por lo que es más eficiente térmicamente
si lo comparamos con el flujo paralelo
Flujo Cruzado En el intercambiador que presenta un flujo cruzado,
uno de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido. Uno de los
fluidos pasa a través de los tubos mientras que el otro pasa alrededor de
dichos tubos perpendicularmente.
Otra manera de
clasificar los intercambiadores de calor, es mediante la estructura y uso de
los mismos, como se muestra a continuación:
Intercambiadores de coraza y tubo
Los intercambiadores del
tipo de coraza y tubo constituyen la parte más importantes de los equipos de
transferencia de calor sin combustión en las plantas de procesos químicos.
Consiste en una serie de tubos lineales colocados dentro de un tubo muy grande
llamado coraza y representan la alternativa a la necesidad de una gran
transferencia de calor.
Existen
intercambiadores de tipo de placa en varias formas: en espiral, de placa, de
aleta con placa soldada y de aleta de placa y tubo.
Intercambiadores de placa en espiral
El intercambiador de placa
en espiral se hace con un par de placas laminadas para proporcionar dos pasos
rectangulares relativamente largos para los fluidos con flujo en
contracorriente. La trayectoria continua elimina la inversión del flujo (y la
caída consiguiente de la presión), las desviaciones y los problemas de
dilataciones diferenciales. Los sólidos se pueden mantener en suspensión.
Intercambiadores de placa y armazón
Intercambiador de calor de aleta y placa con soldadura fuerte
La
superficie de transferencia de calor de aleta y placa se compone de una pila de
capas, cada una de las cuales consiste en una aleta corrugada entre láminas
metálicas planas, selladas en los dos lados mediante canales o barras, para
formar un paso para el flujo del fluido.
Superficie de placa, aleta y tubo
Las aletas rectangulares se
perforan, forman, acampanan y apilan antes de que se inserten los tubos en las
abrazaderas de las aletas y se dilaten para producir la superficie de placa,
aleta y tubo.
Intercambiadores de bloques de grafito
Los intercambiadores
cúbicos de grafito impermeable consiste en cubos sólidos, perforados con
hileras de orificios paralelos que están en ángulo recto con los superiores y
los inferiores. Los cabezales sujetos con pernos a los lados opuestos de las
caras verticales del cubo proporcionan el flujo del fluido de proceso a través
del bloque. Los cabezales apropiados en las caras verticales restantes dirigen
el medio de calentamiento o enfriamiento a través de los intercambiadores.
Enfriadores en cascada
Los enfriadores en cascada consisten en una serie de tubos montados horizontalmente, uno sobre otros. Se denominan a veces enfriadores de trombón, enfriadores de goteo o de serpentín. El agua de enfriamiento de un depósito de distribución se desliza sobre cada tubo y, a continuación, va a un dren. El fluido caliente circula generalmente en flujo a contracorriente, del fondo a la parte superior del grupo de tubos. Existen enfriadores en cascada de vidrio, grafito impermeable, hierro colado y otros materiales.
Intercambiador tubular tipo bayoneta
Este tipo de
intercambiadores son útiles cuando existe una diferencia extrema de temperatura
entre los fluidos del lado de la coraza y lado del tubo, ya que todas las
partes sujetas a expansión diferencial son libres para moverse, independientes
entre sí.
Intercambiadores de tubo en espiral
Los intercambiadores de
tubo en espiral consisten en un grupo de serpentines concéntricos arrollados en
espiral, por lo general conectados por múltiples (manifolds). Entre sus
características se incluye flujo a contracorriente, eliminación de las
dificultades de la expansión diferencial, velocidad constante y compactación.
Intercambiadores de película descendente
Las principales ventajas de
estos intercambiadores de calor son la alta velocidad de transferencia de
calor, la existencia nula de caída de presión interna, corto tiempo de contacto
(característica muy importante para materiales sensibles al calor), facilidad
de acceso a los tubos para su limpieza y, en algunas ocasiones, prevención de
fugas de un lado a otro.
Estos
intercambiadores de calor se utilizan en diversos servicios, como se describe a
continuación:
·
Enfriadores y condensadores de líquidos.
·
Evaporadores.
·
Absorvedores.
·
Congeladores.
Intercambiadores de superficie escariada (raspada)
Los intercambiadores de
superficie escariada tienen un elemento rotatorio con hojas unidas a un soporte
para presionar o raspar la superficie interna. Los intercambiadores de
superficie escariada son particularmente adecuados para la transferencia de
calor con cristalización, transferencia de calor con gran ensuciamiento de la
superficie, transferencia de calor con extracción por disolventes y para
transferencia de calor de fluidos de alta viscosidad.
APLICACIÓN INDUSTRIAL
En general, los
intercambiadores de calor son los dispositivos utilizados para intercambiar
calor entre las mismas o diferentes formas de materia a través de conducción,
convección o radiación
Un ejemplo común
son los aires acondicionados, que contienen por lo menos dos intercambiadores
de calor, generalmente llamados evaporador y condensador.
En la actualidad, existen un sin número de industrias en donde se
utilizan innumerables intercambiadores de calor, de todo tipo. Sin embargo,
aquí solo se mencionará unas cuantas industrias relevantes con un respectivo
ejemplo de intercambiador de calor.
Industrialmente, el término «intercambiadores de calor» se utiliza
para dispositivos que asisten en el intercambio de calor entre dos fluidos a
diferentes temperaturas sin mezclarlos físicamente. Por ejemplo, los
calentadores de habitaciones o de agua se utilizan para calentar el aire
ambiente o el agua intercambiando calor entre el elemento calefactor y el aire circundante
respectivamente. Además, los refrigeradores o los acondicionadores de aire
tienen intercambiadores de calor para intercambiar el calor y enfriar el medio
circundante.
Los
intercambiadores de Calor tienen diferentes aplicaciones en una amplia gama de
sectores, como:
· La industria automotriz
· La industria de alimentos y
bebidas
· Industria metalúrgica
· Industria Petroquímica
· Industria medica
· Industria farmacéutica,
entre otras.
La industria automotriz
En la industria
automovilística son muchos los componentes de control de temperatura que se
usan.
Relacionado con
ello también se encuentra el tratamiento de las superficies que implica el
calentamiento de distintos fluidos en un número específico de tanques. Eso
significa el uso de múltiples intercambiadores de calor y la importancia que
tiene la calidad de las juntas de caucho para intercambiadores de calor de
placas.
Ejemplo
común de intercambiadores en la industria automotriz
Según
· Intercambiador de Calor
Compacto
El líquido
refrigerante fluye por el motor y toma el calor expelido y lo lleva hasta el
radiador. El líquido refrigerante fluye entonces por tubos que utilizan aire
fresco del ambiente para reducir la temperatura del líquido refrigerante. Ya
que el aire es un mal conductor del calor, el área de contacto térmico entre el
metal del radiador y el aire se debe maximizar. Esto se hace usando aletas en
el exterior de los tubos. Las aletas mejoran la eficacia de un intercambiador
de calor y se encuentran comúnmente en la mayoría de los intercambiadores de
calor del aire/líquido y en algunos intercambiadores de calor líquido/líquido
de alta eficacia.
La industria de alimentos y bebidas
Los
intercambiadores de calor son ampliamente utilizados en la industria
alimentaria, para calentamiento y enfriamiento de productos, en sistemas de
esterilización, pasteurización, desactivación enzimática, etc.
Ejemplo
de intercambiador de calor en la industria alimentaria
· Intercambiadores tubulares:
Consiste en un doble tubo por el que circula interiormente el producto a
calentar o enfriar, y por el exterior el medio agua caliente, vapor, agua
glicolada, etc.
Se construyen soldados con
compensadores de dilatación de doble triple capa (que alarga el número de
ciclos de vida) o desmontables con juntas tóricas y cabezales mecanizados.
Es el intercambiador
adecuado para productos con trozos, en procesos de desactivación enzimática,
ejemplos de su aplicación son:
o
El esterilizado de cubitos de frutas
o
Fabricación de mermeladas con trozos de frutas
o
Esterilización de trozos de vegetales, etc.
Los productos
pueden tener altas viscosidades de hasta 2000 cps, y son diseñados para
presiones de hasta 50 bares.
Intercambiadores de
placas: Los intercambiadores de placas son la mejor opción cuando se trata de
calentar o enfriar un líquido sin pulpa como son los zumos de manzana, la
leche, vino, agua etc.
Industria metalúrgica
Los
Intercambiadores de Calor de Placas, en sus diferentes materiales, dimensiones
y capacidad son usados comúnmente en la industria metalúrgica.
Industria Petroquímica
La industria
petroquímica exige muchos requisitos para los intercambiadores de calor, con
diferentes procesos que demandan diferentes soluciones, incluidos los
intercambiadores de placas, y los intercambiadores de calor tubulares.
Alta presión y
temperatura son requisitos comunes de los intercambiadores de calor utilizados
en el sector petroquímico, tanto en el interior como en plataformas
petrolíferas marinas. Los combustibles fósiles crudos contienen grandes
cantidades de agua y una parte considerable del proceso consiste en eliminar
ésta del producto terminado. También las operaciones de calentamiento,
enfriamiento y destilación son cruciales, al igual que la recuperación
energética, para optimizar la eficiencia del producto.
Entre las
aplicaciones de los intercambiadores de calor en la industria petroquímica, se
incluyen:
· Condensación de disolventes
y otras sustancias químicas
· Enfriamiento y calentamiento
de reactores, unidades de producción y productos intermedios
· Refrigeración de
hidrocarburos y agua
· Recuperación energética
proveniente de materiales y procesos
CONCLUSIONES
Por lo ya
estudiado, consultado y expuesto podemos notar las variaciones existentes de
transmisión de calor que hay y podemos notar su presencia ante los diversos sistemas
y situaciones. Dentro de los intercambiadores de calor siendo estos
dispositivos para poder transmitir su energía térmica de dos o más fluidos,
solidos o líquidos.
También para
concluir, los intercambiadores de calor son equipos básicos para el
funcionamiento de cualquier instalación energética, pero también un sistema
clave para mejorar la eficiencia energética y disminuir el consumo de energía,
es por esto la importancia de su estudio y aplicación a nivel industrial.
Dentro de la industria los intercambiadores de calor tienen un amplio
campo de aplicación, ya que estos nos ayudan a mantener las propiedades de
tratamiento del fluido que van a ayudar al óptimo desempeño de maquinaria y
equipo. Hay un sin número de utilidades para las líneas de procesos productivos
y de energía, estos aparatos llegan a ser de uso común, pero podemos encontrar
diferencias como, por ejemplo: calentar un fluido frío mediante un fluido con
mayor temperatura y también podría ser viceversa, reducir la temperatura de un
fluido.
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Link del informe del documento en PDF
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Link del video
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