El coeficiente de transferencia de calor es el factor más importante en el diseño de intercambiadores. Los metales y las aleaciones metálicas presentan los coeficientes de transferencia de calor más altos del mundo. Por este motivo, los tubos y las placas utilizados en los intercambiadores — es decir, todos los componentes del sistema térmico — se seleccionan dentro de este grupo de materiales. AISI 316, AISI 304 y titanio son los materiales más populares del sector.
En la mayoría de los intercambiadores no existen interacciones térmicas o mecánicas externas. Un sistema típico funciona mediante la evaporación y condensación de flujos de fluido mono o multicomponentes, calentando o enfriando otro fluido. Mientras un lado cede calor, el otro lo absorbe. Otras aplicaciones incluyen recuperación de calor, esterilización, condensación de fluidos y control de procesos.
1. Clasificación de los intercambiadores de calor
Los intercambiadores operan según las leyes de los sistemas térmicos, transfiriendo energía térmica (entalpía) de un fluido a otro. Las aplicaciones típicas incluyen calentamiento y enfriamiento, así como la evaporación o condensación de fluidos mono o multicomponentes.
En general, la transferencia de calor se produce sobre las superficies de placas o tubos delgados que separan los fluidos. Estas paredes impiden la mezcla de los fluidos y proporcionan un mejor control sobre los medios caliente y frío. Los intercambiadores en los que los fluidos están separados por placas o tubos se denominan "intercambiadores de placas" o "intercambiadores de tubos en U".
El punto clave en un intercambiador de calor es que esté diseñado para transferir calor de un fluido a otro y cumpla con las leyes de la termodinámica. Los tipos más utilizados son los de carcasa y tubos y los de placas.
1.1. Intercambiador de tubos fijos
En este modelo se utilizan aletas adicionales para aumentar la superficie conductora de calor de los tubos; están soldadas, reducen el coste e incrementan la eficiencia. Sin embargo, los haces de tubos no se pueden retirar.
1.2. Haces de tubos extraíbles
Para garantizar el uso prolongado del producto o definir la posición del fluido, los haces de tubos pueden retirarse, limpiarse y volver a montarse bajo demanda. La solución más sencilla frente a las obstrucciones es desmontar y limpiar los tubos; tras una revisión cuidadosa pueden sustituirse o reinstalarse.
1.3. Intercambiadores de tubos rectos
Unas abrazaderas mantienen unidos los haces de tubos. El otro lado está en pleno contacto con el fluido y permanece libre. La parte flotante se fija con tornillos a la superficie de la carcasa, evitando fugas y deformaciones de los tubos. Este tipo transfiere la entalpía directamente; la energía térmica almacenada se dispersa por toda el área o matriz de transferencia. Ejemplos: calderas, radiadores, torres de refrigeración y condensadores.
1.4. Intercambiadores de placas
Los intercambiadores de placas se componen de dos láminas metálicas unidas, con canales estrechos y juntas de plástico. Las esquinas de las placas, de gran superficie, forman los puntos de entrada y salida del flujo, mientras que el diseño de matriz y los recorridos entre las placas aumentan el área de transferencia de calor. Los fluidos ceden y absorben calor en las superficies por las que pasan. La división en canales permite el intercambio entre fluidos caliente y frío sin mezcla. Gracias a su gran área de transferencia, son el tipo más utilizado.
1.5. Intercambiadores regenerativos
En los intercambiadores regenerativos el mismo fluido pasa por ambos lados; esto es posible tanto en los de placas como en los de tubos. El sistema permite que el fluido alcance temperaturas muy altas; generalmente el flujo saliente se utiliza para enfriar el otro. Gracias al funcionamiento cíclico, casi todo el calor del flujo saliente se transfiere y se logra el enfriamiento. Solo se necesita una pequeña cantidad de energía para mantener una temperatura constante.
1.6. Intercambiadores cilíndricos adiabáticos
En este tipo, el segundo fluido es el medio central que entra en pleno contacto con los tubos por los que circula el primer fluido, lo que permite la transferencia de calor. Los tubos dispuestos en forma circular crean una gran superficie de transferencia dentro del segundo fluido.
Clasificación por función
Por número de fluidos
- 2 fluidos
- 3 fluidos
- N fluidos
Por mecanismo de transferencia de calor
- Convección monofásica bilateral
- Convección monofásica unilateral
- Convección bifásica bilateral
- Convección y radiación combinadas
Por proceso de transferencia de calor
- Contacto directo
- Gas-líquido
- Líquido-vapor
- No miscibles
- Contacto indirecto
- Transferencia directa
- Tipo almacenamiento
- Lecho fluidizado
Por compacidad superficial
- Gas-líquido
- Compacto (β > 700 m²/m³)
- No compacto (β < 700 m²/m³)
- Líquido-líquido
- Compacto (β > 400 m²/m³)
- No compacto (β < 400 m²/m³)
Por construcción
- Tubular
- Doble tubo
- Tubo en espiral
- Serpentín tubular
- De carcasa y tubos
- De placas
- Soldado
- Con juntas
- Brazeado
- En espiral
- Estampado
- Con bobina de placas
- De superficie extendida
- Placa aleteada
- Tubo aleteado
- Regenerativo
- Rotatorio
- De matriz fija
- De placas giratorias
Por disposición del flujo
- Single-pass
- Contraflujo
- Flujo cruzado
- Flujo dividido
- Multi-pass
- Superficie extendida
- De placas
- De carcasa y tubos
Diseño: área, aletas y conexiones
La eficiencia de los intercambiadores de calor depende de los factores de transmisión del calor — el patrón de matriz, los métodos de distribución del calor, las boquillas, los colectores, los depósitos, las tuberías y los elementos de sellado. El más importante es el área de transferencia de calor: cuanto mayor es la superficie de contacto de los fluidos, mayor es la transferencia. Maximizar la superficie es por tanto el objetivo central del diseño.
Por otro lado, los elementos de distribución del calor deben aislarse para evitar pérdidas y aumentar la eficiencia del sistema. Boquillas, conexiones de cabezal y elementos similares deben apretarse con los pares correctos y montarse correctamente. De lo contrario disminuye la seguridad del sistema térmico, los fluidos pueden mezclarse y se producen pérdidas de presión. Los manuales de operación constituyen la referencia básica para mantenimiento, reparación y uso correcto. Salvo los modelos rotatorios de los intercambiadores regenerativos, la mayoría de intercambiadores no tienen piezas móviles; los modelos rotatorios utilizan motores para aumentar presión y caudal.
Una pequeña superficie de contacto entre las interfaces es suficiente para iniciar la transferencia de calor — fenómeno llamado permeabilidad directa de la superficie. Otro método para aumentar la transferencia es el uso de aletas. Las aletas se colocan habitualmente perpendiculares (90°) a la superficie y amplían el área de transferencia, proporcionando más transferencia a la misma temperatura. Como efecto secundario generan convección en la superficie, disipan calor por radiación y pueden provocar condensación en la carcasa. Como resultado, la resistencia térmica de la superficie disminuye.
Las aletas también aumentan la resistencia mecánica de la matriz, permitiendo el uso de fluidos más densos y viscosos. La distancia entre aletas afecta la distribución de temperatura: al aumentar la distancia la eficiencia teórica desciende, pero la presión instantánea disminuye y se garantiza la continuidad de la circulación.
Criterios de denominación
Los intercambiadores de calor se nombran de varias maneras: según el proceso de transferencia, el número de fluidos, el mecanismo de transmisión, el tipo de construcción y la disposición del flujo. Otro criterio es la relación transferencia / volumen; los intercambiadores compactos son modelos más pequeños y prácticos en este sentido. El sector de uso, los tipos de componentes y los parámetros de diseño también dan lugar a denominaciones distintas. El tipo de fluido (gas-gas, gas-líquido, líquido-líquido) es otro criterio común de clasificación.
2. Proceso de transferencia de calor
El proceso de transferencia de calor se utiliza principalmente para distinguir entre intercambiadores directos e indirectos. En los intercambiadores directos la transferencia se produce por mezcla de los fluidos — las torres de refrigeración operan bajo este principio. En los indirectos los fluidos no se mezclan; la transferencia ocurre a través de las superficies que los separan.
2.1. Intercambiadores de placas
Los intercambiadores de placas están formados por placas con patrón de matriz estampado y un marco. Las placas, generalmente prensadas en acero inoxidable, son especialmente adecuadas para el sector alimentario que exige altos estándares de higiene.
La geometría activa de las placas permite el diseño de la matriz y maximiza la eficiencia del sistema, ampliando los campos de aplicación. Combinados con la facilidad de limpieza y mantenimiento, los intercambiadores de placas son el modelo más utilizado del mundo. En aplicaciones exigentes se presentan como alternativa a otros tipos. Su principio de funcionamiento es la conducción térmica natural. Los parámetros de diseño varían: tipo de placa (área estrecha o amplia), calidad (AISI 304, AISI 316, titanio) y número de placas se eligen según la aplicación. Comparado con los de carcasa y tubos, su diseño y cálculo son más sencillos.
2.2. Ventajas y desventajas de los intercambiadores de placas
Ventajas:
- La configuración en contraflujo es favorable y permite reducir el área de transferencia de calor.
- Los diferentes diseños de placas ofrecen amplia flexibilidad en la eficiencia térmica.
- Sobre la superficie de la matriz entre las placas, el fluido circula de forma turbulenta, aumentando la transferencia de calor.
- Como solo los bordes de las placas están en contacto con la atmósfera, no se requiere aislamiento adicional.
Desventajas:
- Con gases y fluidos de baja presión es difícil obtener caudales elevados.
- No es adecuado para presiones muy altas: las juntas de sellado se dañan a alta presión y temperatura.
La eficiencia térmica depende directamente del diseño de la matriz y de las propiedades del fluido que circula sobre su superficie. La dirección del contraflujo y la disposición del área térmica de la matriz, junto con una longitud de matriz estrecha o amplia, son los parámetros clave que determinan el rendimiento de un intercambiador de placas en una aplicación concreta.
2.3. Análisis de pérdida de carga
Hipótesis generales del sistema:
- El intercambiador opera en régimen estacionario (steady-state).
- Las pérdidas de calor a través de la carcasa o el marco son muy pequeñas y despreciables.
- No se requiere una fuente de energía térmica externa.
- En flujos paralelos y a contracorriente los valores instantáneos de temperatura son regulares.
- La constante de resistencia térmica no varía a lo largo del intercambiador.
- No se produce cambio de fase de los fluidos dentro del intercambiador.
- Sin fugas en el sistema, la transferencia de calor progresa de forma equilibrada.
- Los valores constantes e independientes del tiempo de temperatura y posición garantizan tanto la transferencia global como la local.
- El flujo debe ser estacionario e isotérmico; las propiedades del fluido son independientes del tiempo.
- Las temperaturas de entrada y salida afectan solo a propiedades características como la densidad.
- Los puntos de presión son independientes de la dirección del flujo.
- Las fuerzas externas que actúan sobre el intercambiador son únicamente la gravedad y, si existen, los campos eléctricos y magnéticos.
- Según el principio de Bernoulli, el flujo debe producirse a lo largo de la línea de corriente.
- La fricción superficial (rugosidad) se considera uniforme en toda la matriz.
Componentes de la pérdida de carga:
- Con fluidos incompresibles, las pérdidas de carga son proporcionales a la fricción superficial y a la trayectoria del flujo.
- La pérdida de carga del fluido está directamente relacionada con el coeficiente de transferencia de calor, el método operativo, el tamaño de la placa y las propiedades mecánicas del material.
- Las pérdidas de carga pueden calcularse a partir de las características del intercambiador: pérdidas totales a lo largo de la matriz, conexiones de tubería de entrada y salida, cabezales y colectores; las restricciones en las conexiones también provocan caídas de presión.
Conclusión
Gracias a su flexibilidad de diseño y capacidad de evolución, los intercambiadores de calor se diseñan según las necesidades del usuario, con rangos de calentamiento y refrigeración ajustables. Estas características determinan su amplio uso en los sectores de energía, petroquímica, logística, ventilación y refrigeración.
