En nuestro artículo sobre intercambiadores de calor, ya explicamos que estos son uno de los dispositivos de regulación de la temperatura más comunes y polivalentes y que, pese a que su funcionamiento es muy sencillo (se basa en la termodinámica), están presentes en una gran variedad de industrias, lo que ha provocado que exista un amplio abanico de tipos de intercambiadores de calor con diferentes características y diversas aplicaciones de intercambiadores de calor en la industria. Es por este motivo por lo que elegir, diseñar e instalar el intercambiador de calor que mejor se adapte a tu negocio es un paso clave para la viabilidad de tus sistemas.
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Tipos de intercambiadores de calor
Según el tipo de contacto entre fluidos
- Directo. En un intercambiador de calor directo los fluidos se mezclan, por lo que se pueden contaminar debido a la propia mezcla de un fluido en malas condiciones, con el otro. Las torres de refrigeración son el ejemplo prototípico, puesto que pulverizan el agua que se quiere enfriar sobre un conjunto de láminas (llamado relleno intercambiador), mientras que un flujo de aire en sentido contrario o perpendicular a las gotas circula a través de las láminas, provocando que una parte mínima del agua se evapore, lo que produce un enfriamiento del agua restante y, por lo tanto, un intercambio de calor. Finalmente, el agua ya fría va cayendo a un depósito. Si quieres saber más sobre las torres de refrigeración, sigue este link a nuestro artículo sobre este tema.
- Indirecto. Los fluidos pueden seguir 3 direcciones (como veremos a continuación), pero lo que distingue a este tipo de intercambiadores es que impide que los fluidos se mezclen, puesto que están separados por la pared de un tubo o por otro elemento (como las placas o los intercambiadores multitubulares). En estos, los intercambios de calor se producen en 3 fases: convección, conducción y, de nuevo, convección.
- Convección: el fluido caliente transmite su calor a la pared interna del tubo o de la placa.
- Conducción: la que se produce a través de la propia placa o tubo.
- Convección: en este caso, el calor se transmite desde la parte externa del tubo o placa al fluido con menor temperatura.
Según la dirección de los fluidos
- Paralela. El fluido caliente, que circula por el tubo interior, y el frío, que circula por el exterior, fluyen en la misma dirección y en el mismo sentido.
- Contraflujo. Los fluidos se desplazan en la misma dirección, pero en sentidos contrarios, por lo que entran al intercambiador por extremos opuestos. Este tipo de intercambiador es más eficiente que el de flujo paralelo, pues consigue que la temperatura de salida del fluido frío sea más alta y la del caliente sea más baja.
- Cruzada. Los fluidos recorren el intercambiador de forma perpendicular con respecto al otro, pero no se tocan, puesto que uno pasa a través del tubo y el otro lo rodea. Su aplicación es más común cuando uno de los fluidos en circulación cambia de fase dentro del aparato. Dentro de este tipo se realiza la siguiente distinción: de “tipo mezclado”, cuando uno de los fluidos circula sin restricciones, y de “tipo no mezclado”, cuando se instalan unas placas que determinan la dirección del flujo.
- Combinada. Algunos intercambiadores permiten que uno de los fluidos pueda circular tanto en paralelo como en contracorriente. Por ejemplo, en un intercambiador de calor tubular en el que el fluido caliente fluya por la carcasa, el fluido frío podría pasar dos veces por el interior del intercambiador, una en cada sentido, para maximizar el intercambio térmico.
Según las veces que se intercambia calor
- Paso simple. Solo se intercambia calor en una ocasión. A veces, se instalan varios intercambiadores en serie para aumentar la eficiencia del proceso o, simplemente, porque con un solo paso no se consigue la temperatura objetivo.
- Múltiples pasos. Hay más de un punto de intercambio. Estos suelen presentar un flujo combinado, puesto que disponer los tubos en forma de “U” resulta mucho más conveniente para ocupar menos espacio y para aumentar la transferencia de calor.
Según la estructura
- Placas. El intercambiador de calor de placas consiste en una serie de láminas metálicas corrugadas dispuestas en paralelo que están fijadas en una carcasa de acero y se separan por juntas. Estas estrías sirven para crear flujos turbulentos en el fluido, incluso cuando la velocidad a la que este fluye es baja. A cada lado de la placa debe circular, en paralelo o en contracorriente, un fluido distinto, pero algunos fabricantes recomiendan que sea a contraflujo para que no se generen esfuerzos térmicos en áreas específicas. El intercambiador de calor de placas puede ser “compacto”, pensado para facilitar un área de transferencia de calor mayor; y “regenerador”, tipo que se caracteriza por el hecho de que hace pasar un fluido frío que elimina el calor acumulado en los sólidos antes de llegar al equilibrio térmico. Esto se consigue cambiando los flujos. El intercambiador de calor de placas se puede instalar cuando se utiliza NH3, CO2 o glicoles como refrigerantes.
- Haz de tubos y carcasa. También se conoce como intercambiador de calor de carcasa y tubos o intercambiador de calor tubular. Es muy común en la industria y, típicamente, va de la mano con sistemas de NH3-aceite, por poner un ejemplo.Se llama de haz de tubos porque se trata de una gran cápsula (carcasa) que contiene un número variable de tubos, los cuales se colocan en el sitio que les corresponde gracias a una placa deflectora perforada. Esta, sin embargo, tiene otra función: provocar un flujo cruzado y turbulento del fluido que va por la carcasa para mejorar la convección. Si los fluidos tienen presiones muy diferentes, el que tenga una presión mayor es el que fluye por el interior de los tubos, mientras que el que tenga una presión menor será el que recorra la carcasa. La razón detrás de esta disposición es que los tubos pueden soportar mayores presiones. Los tubos pueden disponerse en cuadrados (más fácil de limpiar y menor caída de presión del lado de la coraza), en cuadrado girado (mismos beneficios) y en triángulo (mayor superficie de contacto, pero de limpieza más complicada). Por otra parte, pueden ser tanto de paso simple como de múltiples pasos, según las necesidades específicas de la instalación. Los evaporadores (sean de tubos horizontales o verticales) son, en realidad, un intercambiador de calor tubular, puesto que tienen una cámara de calefacción y otra de evaporación que están divididas por la superficie de los tubos en la que se produce el intercambio de calor.
- Refrigerados por aire. Este sistema es parecido al de las torres de refrigeración, puesto que consiste en tubos con aletas, por los que circula el fluido, y en unos ventiladores, que fuerzan (o inducen) que el aire fluya a lo largo de estos tubos para enfriarlo.
- De tubos concéntricos. Los intercambiadores de calor de doble tubo (o de tubos concéntricos) son los que presentan la estructura más sencilla, pues están formados por un tubo que está dentro de otro (son concéntricos). Los fluidos pueden recorrerlos a contraflujo o de forma paralela. Además, hay tubos que tienen aletas para conseguir que el área de contacto por el lado exterior del tubo sea mayor que por el interior. Esto es fundamental para los casos en los que el coeficiente de transferencia de calor de uno de los fluidos es mucho mayor que el del otro. Cuando el flujo es cruzado, las aletas se disponen de forma transversal al eje del tubo, mientras que, si es paralela o cruzada, estas estarán colocadas longitudinalmente con respecto al eje.
Conclusión
En conclusión, un intercambiador de calor es tan útil como adaptable, por lo que resulta indispensable contar con un asesoramiento técnico profesional a la hora de escoger cuál es el que mejor responderá al uso que le quieres dar, ya que hay múltiples aplicaciones de intercambiadores de calor en la industria. Una buena elección, por otra parte, contribuirá a aumentar la eficiencia de tu instalación.
