Intercambiadores de Calor

Los intercambiadores de calor son  dispositivos cuya función es transferir el calor de un fluido a otro de menor temperatura. La transferencia de calor se produce a través de una placa metálica o tubo que favorezca el intercambio entre fluidos sin que estos se mezclen. En este artículo veremos los distintos tipos de flujos que pueden tener los fluidos a través de estos dispositivos para favorecer la trasmisión de calor así como las aplicaciones en la industria y concretamente en el sector naval

1.Definición de Intercambiador de Calor

Los intercambiadores de calor son  dispositivos cuya función es transferir el calor de un fluido a otro de menor temperatura. La transferencia de calor se produce a través de una placa metálica o tubo que favorezca el intercambio entre fluidos sin que estos se mezclen. En este artículo veremos los distintos tipos de flujos que pueden tener los fluidos a través de estos dispositivos para favorecer la trasmisión de calor así como las aplicaciones en la industria y concretamente en el sector naval.

Las aplicaciones a bordo son variadas y en función del objetivo para el cual están diseñados los intercambiadores de calor reciben distintas denominaciones:

• Intercambiador de Calor: Dispositivo que realiza una doble función; calentar un fluido y enfriar otro.
• Condensador: Dispositivo que tiene como objetivo condensar vapor o mezcla de vapores
• Enfriador: El objetivo de un enfriador como su propio nombre indica es disminuir la temperatura del fluido por medio de otro (aire,agua, aceite…)
• Calentador: Dispositivo enfocado a aportar calor sensible (sin cambio de fase) a un fluido
• Vaporizador: El objetivo de un Vaporizador es vaporizar parte de un líquido.

2.Tipos de Intercambiadores según la Dirección del Flujo

2.1-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.

Nota*: El fluido de menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más caliente.

2.2-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 termicamente si lo comparamos con el flujo paralelo

2.3-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.

Este tipo de intercambiadores es comúnmente empleado donde uno de los fluidos presenta un cambio de fase y por tanto una mezcla bifásica (fase líquida+fase gas) dentro del intercambiador, por ejemplo condensadores de vapor.

2.4-De un Solo Paso (Paso Simple) 

Sí el fluido sólo intercambia calor en una sola vez, se denomina intercambiador de calor de paso simple o de un solo paso, en ocasiones la transferencia de calor no es lo suficientemente para alcanzar la temperatura deseada por lo que se emplea un método que combina dos o más intercambiadores en serie, esto permite mejorar la eficiencia del proceso de intercambiador de calor ya que los fluidos se hacen pasar varias veces dentro de un intercambiador de paso simple.

2.5-De Múltiples Pasos

Cuando los fluidos del intercambiador intercambian calor más de una vez, se denomina intercambiador de múltiple pasos.

Comúnmente el intercambiador de múltiples pasos invierte el sentido del flujo en los tubos al utilizar dobleces en forma de «U»en los extremos, esta configuración de «U», permite al fluido volver a recorrer el interior del intercambiador incrementando el área de transferencia.

2.6- Regenerativos y No Regenerativos

Los intercambiadores de calor también pueden ser clasificados por su carácter regenerativo o no regenerativo:

• Intercambiador Regenerativo

Es  un intercambiador regenerativo aquel donde se emplea el mismo fluido (fluido caliente = fluido frío) como se aprecia en la imagen. El proceso es el siguiente; El fluido caliente atraviesa el intercambiador cediendo calor en él y posteriormente regresa al intercambiador como fluido frío.

Este tipo de intercambiadores se emplean en sistemas de altas temperaturas donde una parte del fluido del sistema se redirige del proceso principal a un proceso secundario, ya que la energía interna de este fluido es aprovechable para otras funciones (por ejemplo calefacción). 

Por ejemplo, este esquema simplificado corresponde al ciclo de vapor de una turbina (Ciclo Rankine Regenerativo), en él  podemos ver una extracción de vapor de la turbina denominada (sangría) que se redirige hacia un proceso secundario, regenerar o recalentar el agua de alimentación de la caldera, mejorando así la eficiencia del ciclo termodinámico.

•  Intercambiador No-Regenerativo.

Nota*: Es importante recordar que el término «regerativo/no-regenerativo» sólo se refiere a «cómo» funciona el intercambiador de calor en un sistema y no indica el tipo de intercambiador o flujo.

3.Tipos de Intercambiadores según su estructura

Existen multitud de configuraciones para los intercambiadores en función de las características necesarias para desarrollar el proceso para el que se diseñan. Los siguientes tipos de intercambiadores son los más recurrentes siendo el de placas y tubos + carcasa los empleados comúnmente a bordo.

3.1-De Placas

La configuración del intercambiador de placas consta de un empaquetamiento de finas placas o láminas de metal corrugadas de alto coeficiente de transferencia que favorece la transferencia de calor. La conformación corruga permite que se produzcan flujos turbulentos a velocidades relativamente pequeñas (0.25 a 1 m/s).

El funcionamiento es simple, si tomamos como ejemplo la imagen, podemos observar que mientras en una cara de la lámina desciende el fluido caliente, por  lámina inmediatamente contigua circula a contra flujo (para favorecer el intercambio y no producir esfuerzos térmicos en zonas concretas), los fluidos nunca se mezclan y la presión de apriete de la empaquetadura más las juntas de goma perimetral (color negro) evitan que los líquidos escapen.

Hay tres características reseñables en este tipo de intercambiadores de calor:

• Las placas son ultra-delgadas (0.5-0.9 mm)con alto coeficiente de intercambio de calor, esto mejora su eficiencia a la hora de trasferir el calor
• Los intercambiadores de calor de placas precisan de muy poco espacio para su montaje, frente a los intercambiadores de carcasa y  haz de tubos.
•  Fáciles de mantener pues en caso de incrustaciones, su desmontaje y limpieza es muy sencillo y rápido.

Enlace*: Limpieza de las placas de un enfriador Alfa Laval

3.2-De Haz de Tubos y Carcasa

La configuración de tubos y carcasa es la construcción más básica y común de los intercambiadores de calor, debido a ser el sistema de tubos más empleado se le denomina intercambiador de tubos sin más, pero debido a la configuración que se explicará en el punto 3.4 añadiremos el término «con carcasa».El fluido que circula por el interior de los tubos se denomina «Flujo interno» y el fluido que circula por la carcasa «Flujo externo».

En los extremos de los tubos, el fluido que circula por el interior de los tubos es separado del fluido que circula por la carcasa por la denominadas «Placas del tubo».  En las partes intermedias se pueden apreciar unos separadores en forma de medialuna llamados «Deflectores» cuya función es forzar la dirección del flujo y mejorar el intercambio de calor.

En sistemas donde los fluidos presentan grandes diferencias de presiones, el fluido de mayor presión circula a través de los tubos y el de menor presión por el exterior, es decir por la carcasa. Esto viene a razón de los costes de materiales, los tubos pueden fabricarse para soportar mayores presiones que la carcasa dado que si fuese a la inversa, el costo sería mucho mayor.

3.3-Refrigerados por Aire

Este tipo de intercambiadores refrigerados por aire consiste en la disposición de una serie de tubos situados en una corriente de aire, esta corriente puede ser natural o forzada con ayuda de un ventilador. Para mejorar la eficiencia, los tubos suelen tener aletas para aumentar la superficie de intercambio de calor y su coeficiente de transferencia. 

El ventilador fuerza o induce el paso de aire (en esta imagen en dos etapas) a lo largo de los tubos con aletas y el fluido que se enfría fluye por los tubos que se unen en ambos extremos a colectores o cabezales. Estos ventiladores pueden ser de velocidad ajustable para modificar el caudal de aire a fin de compensar las variaciones de la temperatura del aire.

3.4-De Tubos Concéntricos

Este tipo de intercambiadores consta de dos tubos concéntricos de diámetros diferentes ensamblados uno dentro del otro, llamado intercambiador de calor de tubo doble o tubos concéntricos. En este dispositivo, el fluido caliente circula por el conducto interno cediendo calor al fluido de menor temperatura que circula por su sección anular (camisa o encamisado).

1. Prensaestopas tubo exterior
2. T de conexión
3. Unión roscada
4. Codo en U
5. Prensaestopas tubo interno
6. Tubo conector
7. Tubo interior
8. Entrada tubo interno
9. Salida tubo externo
10. Prensaestopas de paso
11. Entrada tubo externo
12. Tubo externo
13. Salida tubo externo

El intercambiador de calor de tubos concéntricos es extremadamente útil, ya que se puede ensamblar en cualquier taller a partir de partes estándar, como las mencionadas en el listado anterior, pero además de estos componentes, es posible hacer un diseño más sencillo sustituyendo elementos como prensaestopas por arandelas soldadas o reemplazando las T de conexión por tubos soldados que conecten los tubos exteriores formando así la horquilla.

En general este dispositivo tiene diferentes posibilidades de ensamble, dependiendo del proceso a realizar o de aspectos económicos que determinan la calidad final del intercambiador.

Nota*: Se puede observar el funcionamiento interno en un intercambiador de tubos concéntricos, donde el fluido caliente tiene color rojo y el fluido frío tiene color azul.

4.-Aplicaciones de los Intercambiadores de Calor

Como se ha mencionado anteriormente, las aplicaciones de los intercambiadores de calor son diversas y por cada proceso para el cual estén diseñadas, reciben una denominación determinada. En este punto se mencionarán los casos más empleados a bordo.

• Precalentador
• Radiador
• Aire Acondicionado (Evaporador/Condensador)
• Generador de Agua Dulce (Evaporador/Condensador)
• Condensador de Vapor 

• Precalentador: A bordo nos podemos encontrar precalentadores en varias instalaciones, generalmente para preparar la temperatura de agua de camisas de los motores principales para reducir el choque térmico previo a la puesta en marcha o en sistemas de vapor a gran escala que  necesitan calentamiento en varias etapas en lugar de un solo calentamiento para así aumentar la eficiencia del sistema.

Nota*: Es común es encontrarse precalentadores eléctricos como el que se ve en las siguientes fotografías. Las resistencias eléctricas se sumergen en el fluido a calentar.

• Radiador: El radiador tiene como objetivo transferir calor a partir de un fluido térmico a otro fluido, esto no implica que necesariamente el intercambio debe ser de líquido a líquido sino que también se puede producir de aire a líquido o viceversa.
• Aire Acondicionado (Evaporador/Condensador): Todos los sistemas de aire acondicionado están conformados mínimo por dos intercambiadores de calor; Un evaporador y un condensador, el líquido refrigerante fluye por el intercambiador de calor, ya sea transfiriendo calor  o expeliendolo al medio frío.

• Generador de Agua Dulce (Evaporador/Condensador):  En los sistemas de generación de agua dulce (evaporador-condensador) contamos con dos intercambiadores de calor, un evaporador en la parte baja del sistema donde se introduce el fluido a vaporizar (agua de mar) y un condensador en la parte alta del sistema que condensa el vapor resultante del agua de mar vaporizada.

Este proceso se explica de manera más detenida en el artículo: Generadores de Agua Dulce. Evaporador Sumergido y Tipo Flash

• Condensador de Vapor: El condensador de vapor en una instalación como puede ser la planta generadora de vapor de un buque propulsado por turbinas es uno de los componentes más importante para el aprovechamiento del agua técnica producida.
  
  Producir un agua técnica de una calidad alta (libre de sales, aprox. 0,5 ppm) es costoso, por lo que una vez aprovechada la energía del vapor para mover las turbinas, este se redirige a este intercambiador de vapor que se encarga condensar el vapor en líquido para su reutilización y mejorar así la eficiencia de la instalación.

5-Bibliografía:

• Intercambiadores de Calor [Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México]
• Apuntes de Generadores de Vapor. [Escuela de Ingenierías Marina, Náutica y Radioelectrónica de Cádiz]
• Diseño y Construcción de intercambiadores de Calor de Placas. [Escuela Nacional de Ingeniería de Ecuador]
• Mavainsa [Página Web]

Autor: Roberto García Soutullo