INTERCAMBIADOR DE CALOR Es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. La función básica de los intercambiadores es la transferencia de energía térmica entre dos o más fluidos a diferente temperatura. El calor fluye, como resultado del gradiente de temperatura, desde el fluido caliente hacia el frío a través de una pared de separación.
lasificación de intercambiadores de calor seg!n el servicio
Enfriador: Es una unidad en la cual una corriente de proceso intercambia calor con agua o aire sin que ocurra cambio de fase. f ase.
Calentador: "n calentador es un intercambiador de calor que aumenta la entalpía de una corriente, sin que normalmente ocurra un cambio de fase. omo fuente de calor se utili#a una una corr corrie ient nte e de serv servic icio io,, la cual cual pued puede e ser ser vapo vaporr de agua agua,, acei aceite te calie calient nte, e, fluid fluidos os especiales para transferencia de calor ó una corriente de proceso de entalpía alta, por e$emplo la descarga de un reactor operado a temperaturas elevadas.
Refrigerador: Es una unidad que utili#a una sustancia refrigerante para enfriar un fluido, hasta una temperatura menor que la obtenida si se utili#ara aire o agua como medio de enfriamiento.
Condensador: Es una unidad en la cual los vapores de proceso se convierten total o parcialmente en líquidos. %eneralmente se utili#a agua o aire como medio de enfriamiento. El término condensador de superficie se refiere específicamente a aquellas unidades de carca#a y tubos que se utili#an para la condensación del vapor de desecho, proveniente de las máquinas y de las turbinas a vapor. "n condensador de contacto directo es una unidad en la cual el vapor es condensado mediante contacto con gotas de agua.
Evaporador: Los evaporado evaporadores res son intercambia intercambiadore dores s diseñado diseñados s específica específicamente mente para aumentar la concentración de las soluciones acuosas mediante la evaporación de una parte del agua.
&apori#ador' Es un intercambiador que convierte líquido a vapor. El término vapori#ador se refiere normalmente a aquellas unidades que mane$an líquidos diferentes al agua.
Rehervidor: Es un vapori#ador que suministra el calor latente de vapori#ación al fondo (generalmente) de una torre fraccionadora. *ay dos tipos generales de rehervidores, aquéllos que envían dos fases a la torre para separar el vapor del líquido y los que retornan vapor solamente. Los primeros pueden operar mediante circulación natural (com!nmente llamados termosifones) o circulación for#ada Los termosifones son los tipos de rehervidores más comunes. Los termosifones hori#ontales donde la vapori#ación ocurre en el lado de la carca#a, son los más utili#ados en la industria petrolera. En los del tipo vertical, la vapori#ación ocurre en el lado de los tubos y se utili#an preferiblemente en las industrias químicas. %eneradores de vapor' +on un tipo especial de vapori#adores usados para producir vapor de agua. omo fuente de calor se utili#a generalmente el calor en eceso que no se requiere para el proceso- de allí que a estos rehervidores se les llame com!nmente alderas de recuperación de calor/. 0l igual que los rehervidores, los generadores de vapor pueden ser del tipo 1ettle, de circulación for#ada o termosifones.
Sobrealentador: "n sobrecalentador calienta el vapor por encima de su temperatura de saturación. En 2eoría, el diseño de todos estos equipos es parecido, sin embargo, los cálculos de los coeficientes de transferencia de calor difieren unos de otros. 3or e$emplo, hay que considerar si eiste o no cambio de fase, el régimen de flu$o, si el fluido es multicomponente, etc.
CLASI!ICACI"N De A#erdo al $roeso de Transferenia
INTERCAMBIADOR CALOR DE CONTACTO DIRECTO: En este tipo de intercambiador, el calor es transferido por contacto directo entre dos corrientes en distintas fases (generalmente un gas y un líquido de muy ba$a presión de vapor) fácilmente separables después del proceso de transferencia de energía- como e$emplo se tienen las torres de enfriamiento de agua con flu$o de aire. El flu$o de aire puede ser for#ado o natural.
INTERCAMBIADOR CALOR DE T%BOS CONC&NTRICOS O DOBLE T%BO
Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo son los más sencillos que eisten. Estan constituidos por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. "no de los fluidos fluye por el interior del tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos. *ay dos posibles configuraciones en cuanto a la dirección de los fluidos' a contracorriente y en paralelo. 0 contracorriente los dos fluidos entran por los etremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos- en cambio en paralelo entran por el mismo etremo y fluyen en el mismo sentido. 0 continuación se pueden ver dos imágenes con las dos posibles configuraciones de los fluidos dentro de los tubos.
Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo pueden ser lisos o aleteados. +e utili#an tubos aleteados cuando el coeficiente de transferencia de calor de uno de los fluidos es mucho menor que el otro. omo resultado el área eterior se amplia, siendo ésta más grande que el área interior. El tubo con aletas transversales representado a continuación, se utili#a cuando la dirección del fluido es perpendicular al tubo.
En cambio, cuando la dirección del flu$o de los fluidos es paralela al e$e de los tubos, el tubo es con aletas longitudinales'
"na aplicación de un intercambiador de doble tubo es el que se utili#a para enfriar o calentar una solución de un tanque encamisado y con serpentín.
'ENTA(AS) • • •
4iseño' Es muy fácil reali#ar sus partes estándar para un posterior monta$e. 5onta$e' +e puede ensamblar en cualquier taller de plomería. ostos' 3roporciona superficies de transferencia de calor a ba$o costo.
DES'ENTA(AS •
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2ransferencia' La principal desventa$a es la pequeña superficie de transferencia de calor contenida en una horquilla simple. 6ugas' uando se usa con un equipo de destilación se requiere gran n!mero de horquillas y en cada horquilla eiste la posibilidad de fugas debido a las coneiones. Espacio' 3ara los procesos industriales que requieren grandes superficies de transferencia de calo, se necesitan gran n!mero de equipos, los que no se pueden acomodar en pequeños espacios. se recomienda el uso de tubos concéntricos para superficies pequeñas (7889:88 ft:). 5antenimiento' El tiempo y gastos requeridos para desmontarlos y reali#ar limpie#as son prohibitivos, comparados con otros tipos de equipos.
INTERCAMBIADOR CALOR DE CORA*A + T%BOS Esta unidad consta de una envoltura cilíndrica denominada carcasa (cora#a o casco) la cual envuelve a un con$unto de tubos denominado ha#/ de tubos. "n fluido circula por el interior de los tubos (lado de los tubos), y otro por el eterior de los mismos (lado de la carcasa). El intercambiador de tubos y cora#a (tubos y carcasa, tubos y casco), es hasta ahora, entre los equipos de transferencia de calor, el más com!nmente usado en la industria química.
El intercambiador de calor de cora#a y tubos es el más utili#ado en la industria. Está formado por una cora#a y por multitud de tubos. +e clasifican por el n!mero de veces que pasa el fluido por la cora#a y por el n!mero de veces que pasa el fluido por los tubos. En los intercambiadores de calor de paso m!ltiple se utili#a un n!mero par de pasos en el lado del tubo y un paso o más por el lado de la cora#a. 0sí por e$emplo el primer intercambiador que hay representado es 79:, es decir, que el fluido circula una ve# por la cora#a y el que se encuentra en el interior de los tubos pasa dos veces. En la segunda imagen hay un intercambiador de calor de cora#a y tubos 79;, por donde circula el fluido caliente ; veces por dentro de los tubos y el fluido frío 7 ve# por la cora#a. En la tercera imagen se ve un condensador, donde el vapor entra por la parte de la cora#a y sale por la parte inferior en forma de líquido. El líquido frío, que normalmente es agua, entra por la parte inferior, por dentro de los tubos, y sale por la parte superior. 0 veces no condensa todo el vapor y se ha de reali#ar una purga de aire. 3or !ltimo el tambor de una columna de destilación, donde se produce la evaporación de una parte del disolvente procedente de la columna de destilación que se encuentra en forma líquida. Esta evaporación es gracias al vapor de agua que circula por dentro de los tubos, que cede el calor de condensación al líquido. El líquido se evapora y el vapor de agua se condensa. El producto sale por la parte inferior del tambor. +iempre queda una me#cla de líquido y vapor de agua que es devuelto a la columna de destilación para poder separar sus componentes. El !ltimo es un evaporador.
Los tubos que van son colocados deflectora a continuación'
por dentro de la cora#a mediante una placa perforada, representada
Estas placas deflectoras están puestas para generar un flu$o cru#ado y inducir una me#cla turbulenta en el fluido que va por la cora#a, la cual cosa me$ora el intercambio por convección. Los tubos pueden presentar diferentes distribuciones' 9 A,#ste #adrado. Esta configuración permite una me$or limpie#a de los tubos. 2ambién hace que haya una menor caída de presión en el lado de la cora#a.
9 A,#ste #adrado girado. Las venta$as de esta distribución es la misma que el anterior.
9 A,#ste triang#lar . +e consigue una mayor superficie de transferencia de calor que con el a$uste cuadrado no se consigue. +i la distancia de centro a centro de los tubos es muy pequeña, no se puede limpiar.
Las venta,as de este tipo de intera-biador son: •
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+u configuración proporciona grandes áreas de transferencia en pequeños espacios. +oportan altas presiones y altas temperaturas de operación. 3rocedimientos de diseño y técnicas de fabricación bien establecidas.
Apliaiones de estos intera-biadores de alor La condensación de un vapor saturado emplea unidades 79n en posición hori#ontal. Los intercambiadores verticales se emplean para producir condensación con subenfria9 miento, o cuando se condensa vapor cuyo condensado es corrosivo. En una operación ebullición9vapori#ación de un sistema de destilación, se usan los reboilers/ o calderines. Estos equipos suministran calor al fondo de las columnas de destilación. +us versiones más populares son el calderín y el termosifón. El intercambiador de cora#a y tubos se usa más frecuentemente para líquidos y para altas presiones. 2ambién tiene aplicaciones en la farmacéutica.
INTERCAMBIADOR CALOR DE $LACAS "n intercambiador de calor de placas consiste en una sucesión de láminas de metal armadas en un bastidor y conectadas de modo que entre la primera y la segunda placa circule un fluido, entre la segunda y la tercera otro, y así sucesivamente. Estas placas están separadas por $untas, fi$adas en una cora#a de acero. La circulación de estos fluidos puede tener diferentes configuraciones, en paralelo y contracorriente.
En la figura de deba$o hay diferentes tipos de placas que se pueden encontrar en un intercambiador de calor de placas. ada placa tiene canali#aciones diferentes de fluido que inducen a turbulencia. +i el fluido frío circula por la parte de delante de la placa, el fluido caliente lo hace por la parte de detrás.
Los intercambiadores de calor de placas son ideales para aplicaciones en las que los fluidos tienen una viscosidad relativamente ba$a y no contienen partículas. 0demás son una elección ideal donde eiste un pequeño salto térmico entre la temperatura de salida del producto y la temperatura de entrada del servicio 0plicaciones típicas'
alentamiento alentamiento de vapor Enfriamiento
SECTOR L.CTEO: •
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mediante ?3 (intercambiador de calor de placas) 3asteuri#ación@termi#ación' El producto se trata hasta A=> en pasteri#adores multietapa 2ratamiento "*2' En estos ?3 se alcan#an temperaturas de hasta 7;A> del producto
SECTOR CER'ECERO' •
Enfriamiento de mosto mediante ?3 para grandes vol!menes
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3asteuri#ación flash/ de la cerve#a de barril
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Enfriadores de cerve#a para envasado
SECTOR BEBIDAS + RE!RESCOS: •
3lanta de $arabes' Enfriamiento y calentamiento mediante ?3
•
3asteuri#ación de bebidas en ?3
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Enfriamiento de bebida terminada antes de envasado
SECTOR 'INOS + LICORES: •
Enfriamiento de mosto mediante ?3
•
3asteuri#ación de vino a ba$a temperatura mediante ?3
SECTOR A*%CARERO' •
2ratamiento de los $arabes a altas temperaturas mediante ?3
•
Equipos ?3 auiliares de enfriamiento y calentamiento de $arabe
INTERCAMBIADOR CALOR COM$ACTO Los intercambiadores de calor compactos están diseñados para conseguir una gran área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen. En los intercambiadores compactos, los dos fluidos normalmente se mueven en direcciones ortogonales entre sí. Esta configuración del flu$o recibe el nombre de flu$o
cru#ado. El flu$o cru#ado se clasifica en -e/lado (uno de los dos fluidos fluye libremente en dirección ortogonal al otro sin restricciones) y no -e/lado (se ponen unas placas para guiar el flu$o de uno de los fluidos). E$emplos de intercambiadores de calor compactos son los radiadores de los coches, los intercambiadores de calor de cerámica de vidrio de las turbinas de gas, el regenerador del motor +tirling y el pulmón humano.
Los intercambiadores compactos son de uso com!n en la transferencia de calor de gas hacia gas y de gas hacia líquido (o líquido hacia gas), para contrarrestar el ba$o coeficiente de transferencia de calor asociado con el flu$o de gases mediante una mayor área superficial.
INTERCAMBIADOR CALOR RE0ENERADORES En un regenerador, la transferencia de calor entre dos corrientes es transportada por el paso alternado de fluidos calientes y fríos a través de un lecho de sólidos, el cual tiene una apreciable capacidad de almacenamiento de calor. El fluido caliente proporciona calor a los sólidos que se calientan de forma gradual- pero antes de llegar al equilibrio los flu$os son cambiados y entonces el fluido frío remueve el calor del lecho. En un tipo de regenerador se utili#an dos lechos idénticos, como en un sistema absorbedor9desorbedor. "n segundo tipo utili#a un lecho rotatorio con forma de una llanta gruesa, con el fluido frío que circula aialmente a través del sector (generalmente 7B8>) del lecho, mientras que el fluido caliente circula en una dirección contraria a través del otro sector. En regeneradores rotatorios, el lecho es frecuentemente una matri# de barras, pantallas o láminas corrugadas, hace que tenga una gran área de superficie, pero además, una alta fracción de vacíos y una caída de presión más ba$a que un lecho de partículas. Los regeneradores ofrecen la venta$a de una área de superficie grande por unidad de volumen y ba$o coste comparado con los intercambiadores de cora#a y tubos. 0demás, son fáciles de limpiar, y la cora#a puede ser fácilmente reempla#ada. El principal problema con las unidades rotatorias es que un poco de fluido se filtra deba$o de las láminas deflectoras que separan los sectores calientes y fríos. 0demás, casi no
eiste la me#cla de los corrientes debido a que alguno de los fluidos en los espacios vacíos es transportado a través de las láminas hacia otro sector. 3ara el aire precalentado con gases de combustión caliente, la ligera fuga de gases de combustión dentro del aire, y al revés, no es un grande problema. Los regeneradores rotatorios son ampliamente utili#ados en plantas de energía eléctrica. 2ambién son utili#ados en incineradoras, altos hornos y motores de turbina de gas. En general, los regeneradores son ideales para líquidos, debido a que la capacidad térmica del líquido en los poros podría ser comparable con la de la matri# sólida. La efectividad de un regenerador depende del n!mero de unidades de transferencia de calor y del ciclo de tiempo. 3ara capacidades de flu$os iguales y resistencias despreciables en el sólido, los coeficientes de película se combinan para obtener un coeficiente global efectivo ".
El n!mero de unidades de transferencia se basa en el área de la superficie total de los dos lechos o de la rueda rotatoria.
4ónde'
INTERCAMBIADOR CALOR DE CONTACTO INDIRECTO: En los intercambiadores de tipo contacto indirecto, las corrientes permanecen separadas y la transferencia de calor se reali#a a través de una pared divisora, o desde el interior hacia el eterior de la pared de una forma no continua. uando el flu$o de calor es intermitente, es decir, cuando el calor se
almacena primero en la superficie del equipo y luego se transmite al fluido frío, se denominan intercambiadores tipo transferencia indirecta, o tipo almacenador o sencillamente regenerador. La intermitencia en el flu$o de calor es posible debido a que el paso de las corrientes tanto caliente como fría es alternado- como e$emplo pueden mencionarse algunos precalentadores de aire para hornos. 0quellos equipos en los que eiste un flu$o continuo de calor desde la corriente caliente hasta la fría, a través de una delgada pared divisora son llamados intercambiadores tipo transferencia directa o simplemente recuperadoreséstos son los más usados a nivel industrial.
TORRES DE EN!RIAMIENTO Las torres de enfriamiento son un tipo de intercambiadores de calor que tienen como finalidad quitar el calor de una corriente de agua caliente, mediante aire seco y frío, que circula por la torre. El agua caliente puede caer en forma de lluvia y al intercambiar calor con el aire frío, vapori#a una parte de ella, eliminándose de la torre en forma de vapor de agua. Las torres de enfriamiento se clasifican seg!n la forma de subministramiento de aire en' 9 Torres de ir#lai1n nat#ral 9 At-osf2rias' El movimiento del aire depende del viento y del efecto aspirante de los aspersores. +e utili#a en pequeñas instalaciones. 4epende de los vientos predominantes para el movimiento del aire. 9 Tiro nat#ral' El flu$o del aire necesario se obtiene como resultado de la diferencia de densidades, entre el aire más frío del eterior y h!medo del interior de la torre. "tili#an chimeneas de gran altura para obtener el tiro deseado. 4ebido a las grandes dimensiones de estas torres se utili#an flu$os de agua de más de :88888gpm. Es muy utili#ado en las centrales térmicas. 0 continuación se muestra el funcionamiento de una torre de enfriamiento con tiro natural'
9 Tiro ind#ido: el aire se succiona a través de la torre mediante un ventilador situado en la parte superior de la torre. +on las más utili#adas. 0 continuación se muestra el funcionamiento de las torres de tiro inducido'
9 Tiro for/ado' el aire es for#ado por un ventilador situado en la parte inferior de la torre y se descarga por la parte superior. 0 continuación se muestra el funcionamiento de las torres de tir o for#ado'
2ambién se puede encontrar intercambiadores de calor de contacto directo como lo son'
Intera-biadores gas3s1lido. +on de contacto directo gas9líquido sin almacenamiento de calor.
Intera-biador fl#ido3fl#ido sin almacenamiento de calor, en los que los dos fluidos en contacto son mutuamente inmiscibles
INTERCAMBIADORES $OR IN+ECCION A 'A$OR
+e inyecta cantidades precisas de vapor de una planta en el fluido del proceso (me#cla) que necesita ser calentada
Los tipos de inyección de vapor tiene varias diferencias y algunas tienen limitaciones que los hacen adecuados para ciertas aplicaciones e inadecuados para otros.
5odulación Eterna' Este tipo de control de flu$o de vapor varía la velocidad a la cual el vapor se inyecta en el líquido.
5odulación ?nterna' La modulación interna elimina la necesidad de una válvula de control de vapor eterna.
&enta$as' %eneralmente requieren menos espacio que otros métodos de transferencia de calor.
4esventa$as' +i el fluido de proceso que se va a calentar es sensible y no puede tolerar esto, la inyección de vapor no puede utili#arse.
"na limitación de los sistemas de inyección modulada internamente es que el diferencial entre la presión de vapor disponible y de la contra9presión a la salida del calentador debe mantenerse para asegurar el funcionamiento correcto de la unidad. La información general sobre el proceso y los requerimientos de calefacción son necesarios, $unto con los datos sobre las características del líquido a calentar.
Apliaiones &apor para *idratación 0lgunas veces el vapor es usado para hidratar el proceso mientras se suministra calor al mismo tiempo. 3lanta "*2
INTERCAMBIADOR CALOR DE IN!%SI"N DE 'A$OR El producto cae en forma de película fina a un recipiente que contiene vapor a elevada presión (;=813a) , donde se alcan#an instantáneamente (8.C seg) altas temperaturas de hasta 7;:>97;D>, cuya retención es de Cseg. Luego se me#cla el producto fluido con el vapor que se secara posteriormente en un enfriador al vacío relativo donde se enfría a unos D=> . El calentamiento por este sistema es ligeramente más rápido pero tiene el inconveniente de que en ocasiones la boquilla del recipiente se puede bloquear si el alimento de$a mucho residuo.
+e aplica en la esterili#ación y "*2 de leche, de la siguiente forma, se atomi#a leche por aspersión en un ambiente de vapor. 0tomi#ando la leche en finas gotas e inyectando las gotas al vapor. 3elícula laminar de caída libre' el producto resbala por la cámara como una película laminar delgada. La infusión de vapor se puede reali#ar en' ?ntercambiador de calor de placas. ?ntercambiador de calor tubular.