Intercambiadores de calorEn los sistemas mecnicos, qumicos, nucleares y otros, ocurre que el calor debe ser transferido de un lugar a otro, o bien, de un fluido a otro. Los intercambiadores de calor son los dispositivos que permiten realizar dicha tarea.Dicho de otra forma un intercambiador de calor es un componente que permite la transferencia de calor de un fluido (lquido o gas) a otro fluido. Entre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores de calor se encuentran las siguientes: Calentar un fluido fro mediante un fluido con mayor temperatura. Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura. Llevar al punto de ebullicin a un fluido mediante un fluido con mayor temperatura. Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido fro. Llevar al punto de ebullicin a un fluido mientras se condensa un fluido gaseoso con mayor temperatura. Transferencia de calor convectiva del fluido hacia la pared interna del tubo.Transferencia de calor conductiva a travs de la pared del tubo Transferencia de calor convectiva desde la pared externa del tubo hacia el fluido exterior.

Debe quedar claro que la funcin de los intercambiadores de calor es la transferencia de calor, donde los fluidos involucrados deben estar a temperaturas diferentes. Se debe tener en mente que el calor slo se transfiere en una sola direccin, del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura. En los intercambiadores de calor los fluidos utilizados no estn en contacto entre ellos, el calor es transferido del fluido con mayor temperatura hacia el de menor temperatura al encontrarse ambos fluidos en contacto trmico con las paredes metlicas que los separan.

CLASIFICACIN De Acuerdo al Proceso de Transferencia

- 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 lquido de muy baja presin de vapor) fcilmente separables despus del proceso de transferencia de energa; como ejemplo se tienen las torres de enfriamiento de agua con flujo de aire. El flujo de aire puede ser forzado o natural. - De Contacto Indirecto En los intercambiadores de tipo contacto indirecto, las corrientes permanecen separadas y la transferencia de calor se realiza a travs de una pared divisora, o desde el interior hacia el exterior de la pared de una forma no continua. Cuando el flujo de calor es intermitente, es decir, cuando el calor se almacena primero en la superficie del equipo y luego se transmite al fluido fro, se denominan intercambiadores tipo transferencia indirecta, o tipo almacenador o sencillamente regenerador. La intermitencia en el flujo de calor es posible debido a que el paso de las corrientes tanto caliente como fra es alternado; como ejemplo pueden mencionarse algunos precalentadores de aire para hornos. Aquellos equipos en los que existe un flujo continuo de calor desde la corriente caliente hasta la fra, a travs de una delgada pared divisora son llamados intercambiadores tipo transferencia directa o simplemente recuperadores; stos son los ms usados a nivel industrial.De Acuerdo a los Mecanismos de Transferencia de Calor Los mecanismos bsicos de transferencia de calor entre un fluido y una superficie son: - Conveccin en una sola fase, forzada o libre. - Conveccin con cambio de fase, forzada o libre: condensacin ebullicin. - Una combinacin de conveccin y radiacin.

Cualquiera de estos mecanismos o una combinacin de ellos puede estar activo a cada lado de la pared del equipo. Por ejemplo, conveccin en una sola fase se encuentra en radiadores de automviles, enfriadores, refrigeradores, etc. Conveccin monofsica de un lado y bifsica del otro se puede encontrar en evaporadores, generadores de vapor, condensadores, etc. Por su parte la conveccin acompaada de radiacin trmica juega un papel importante en intercambiadores de metales lquidos, hornos, etc. I.1-2.3 De Acuerdo al Nmero de Fluidos Involucrados La mayora de los procesos de disipacin o recuperacin de energa trmica envuelve la transferencia de calor entre dos fluidos, de aqu que los intercambiadores de dos fluidos sean los ms comunes, sin embargo, se encuentran equipos que operan con tres fluidos. Por ejemplo, en procesos criognicos y en algunos procesos qumicos: separacin aire-helio, sntesis de amonio, etc.De Acuerdo a la Disposicin de los Fluidos La escogencia de una disposicin de flujo en particular depende de la eficiencia de intercambio requerida, los esfuerzos trmicos permitidos, los niveles de temperatura de los fluidos, entre otros factores. Algunas de las disposiciones de flujo ms comunes son: - Intercambiadores de Calor de Paso nico

Se distinguen tres tipos bsicos: a) Flujo en Paralelo o Cocorriente: En este tipo ambos fluidos entran al equipo por el mismo extremo, fluyen en la misma direccin y salen por el otro extremo. Las variaciones de temperatura son idealizadas como unidimensionales Termodinmicamente es una de las disposiciones ms pobres, sin embargo, se emplea en los siguientes casos: cuando los materiales son muy sensibles a la temperatura ya que produce una temperatura ms uniforme; cuando se desea mantener la misma efectividad del intercambiador sobre un amplio intervalo de flujo y en procesos de ebullicin, ya que favorece el inicio de la nucleacin.

b) Flujo en Contracorriente o Contraflujo: En este tipo los fluidos fluyen en direcciones opuestas el uno del otro. Las variaciones de temperatura son idealizadas como unidimensionales Esta es la disposicin de flujo termodinmicamente superior a cualquier otra.

c)

d) Flujo Cruzado: En este tipo de intercambiador, los flujos son normales uno al otro. Las variaciones de temperatura son idealizadas como bidimensionales. Termodinmicamente la efectividad de estos equipos es intermedia a las dos anteriores.

Intercambiadores Regenerativos y No-regenerativosLos intercambiadores de calor tambin pueden ser clasificados por su funcin en un sistema particular. Una clasificacin comn es:

Intercambiador regenerativo. Intercambiador no-regenerativo.

Figura f) Intercambiador de un solo paso e intercambiador de mltiple paso.

Un intercambiador regenerativo es aquel donde se utiliza el mismo fluido (el fluido caliente y el fluido fro es el mismo) como se muestra en lo figura (g). Esto es, el fluido caliente abandona el sistema cediendo su calor a un regenerador y posteriormente regresando al sistema. Los intercambiadores regenerativos son comnmente utilizados en sistemas con temperaturas altas donde una porcin del fluido del sistema se remueve del proceso principal y ste es posteriormente integrado al sistema. Ya que el fluido que es removido del proceso principal contiene energa (energa interna, mal llamado calor), el calor del fluido que abandona el sistema se usa para recalentar (regenerar) el fluido de regreso en lugar de expeler calor hacia un medio externo ms fro lo que mejora la eficacia del intercambiador. Es importante recordar que el trmino "regenerativo/no-regenerativo" slo se refiere a "cmo" funciona el intercambiador de calor en un sistema y no indica el tipo de intercambiador (carcaza y tubo, plato, flujo paralelo, contraflujo).En un intercambiador regenerativo, como se muestra en la figura (g), el fluido con mayor temperatura en enfriado por un fluido de un sistema separado y la energa (calor) removida y no es regresaba al sistema.

Figura g) Intercambiador regenerativo e Intercambiador no-regenerativo.Intercambiadores de Calor de Pasos Mltiples Una de las ventajas de los pasos mltiples es que mejoran el rendimiento total del intercambiador, con relacin al paso nico. Pueden encontrarse diferentes clasificaciones de acuerdo a la construccin del equipo: Paralelo-cruzado, contracorriente-paralelo, contracorriente-cruzado y combinaciones de stos.

De Acuerdo a la Compactacin de la Superficie De acuerdo a la relacin superficie de transferencia de calor a volumen ocupado, los equipos tambin pueden ser clasificados como compactos o no compactos. Un intercambiador compacto es aquel cuya relacin superficie a volumen es alta, mayor de 700 m2/m3 (213 ft2/ft3) valor que es arbitrario. Las ventajas ms resaltantes de un intercambiador compacto son los ahorros de material, espacio ocupado (volumen) y costo, pero tienen como desventajas que los fluidos deben ser limpios, poco corrosivos y uno de ellos, generalmente, en estado gaseoso. De Acuerdo al Tipo de Construccin De los diversos tipos de intercambiadores de calor, en esta parte solo se van a describir algunos de los ms importantes y ms usados a nivel industrial

- Intercambiador de Doble Tubo Este es uno de los diseos ms simples y consiste bsicamente de dos tubos concntricos, en donde una corriente circula por dentro del tubo interior mientras que la otra circula por el nulo formado entre los tubos. Este es un tipo de intercambiador cuya construccin es fcil y econmica, lo que lo hace muy til. Las partes principales de este tipo de intercambiador (Figura I.1- 1) son dos juegos de tubos concntricos, dos "T" conectoras [7], un cabezal de retorno [4] y un codo en U [1].La tubera interior se soporta mediante estoperos, y el fluido entra a ella a travs de una conexin localizada en la parte externa del intercambiador. Las T tienen conexiones que permiten la entrada y salida del fluido que circula por el nulo y el cruce de una seccin a la otra a travs de un cabezal de retorno. La tubera interior se conecta mediante una conexin en U que generalmente se encuentra expuesta al ambientey que no proporciona superficie efectiva de transferencia de calor.

Intercambiador de calor de doble tubo. 1-Codo. 2, 3, 5, 6-Prensa estopa. 4-Cabezal de retorno. 7-Tee.

La principal desventaja del uso de este tipo de intercambiador radica en la pequea superficie de transferencia de calor que proporciona, por lo que si se emplean en procesos industriales, generalmente se va a requerir de un gran nmero de stos conectados en serie, lo que necesariamente involucra a una gran cantidad de espacio fsico en la planta. Por otra parte, el tiempo y gastos requeridos para desmantelarlos y hacerles mantenimiento y limpieza peridica son prohibitivos comparados con otro tipo de equipos. No obstante estos intercambiadores encuentran su mayor utilidad cuando la superficie total de transferencia requerida es pequea (100 a 200 ft2 o menor). Como las dimensiones de los componentes de estos equipos tienden a ser pequeas, estas unidades son diseadas para operar con altas presiones; adems, los intercambiadores de doble tubo tienen la ventaja de la estandarizacin de sus componentes y de una construccin modular.

Tipos de intercambiadores de calor segn su construccin Si bien los intercambiadores de calor se presentan en una inimaginable variedad de formas y tamaos, la construccin de los intercambiadores est incluida en alguna de las dos siguientes categoras: carcaza y tubo o plato. Como en cualquier dispositivo mecnico, cada uno de estos presenta ventajas o desventajas en su aplicacin.

Intercambiadores de Tubo y Carcaza de Tubo y Coraza De los diversos tipos de intercambiadores de calor, ste es el ms utilizado en las refineras y plantas qumicas en general debido a que: a) Proporciona flujos de calor elevados en relacin con su peso y volumen. b) Es relativamente fcil de construir en una gran variedad de tamaos. c) Es bastante fcil de limpiar y de reparar. d) Es verstil y puede ser diseado para cumplir prcticamente con cualquier aplicacin.

Intercambiador de tubo y carcaza. 1-Carcaza. 2-Tubos. 3-Placa de tubos. 4-Deflectores. 5-Deflector longitudinal. 6-Cabezal posterior. 7-Cabezal fijo. 8-Boquilla de la carcaza. 9-Boquillas para los tubos.

Este tipo de equipo (Figura anterior) consiste en una carcaza cilndrica [1] que contiene un arreglo de tubos [2] paralelo al eje longitudinal de la carcaza. Los tubos pueden o no tener aletas y estn sujetos en cada extremo por lminas perforadas [3]. Estos atraviesan a su vez a de toda la carcaza, sirven para soportar los tubos y dirigir el flujo que circula por la misma, de tal forma que la direccin del fluido sea siempre perpendicular a los tubos. El fluido que va por dentro de los tubos es dirigido por unos ductos especiales conocidos como cabezales o canales [6 y 7].

Hay dos tipos bsicos de intercambiadores de tubo y carcaza: El de tipo fijo o de tubos estacionario, que tiene los dos extremos de los tubos fijos a la carcaza, y el que tiene un slo extremo de los tubos sujeto a la coraza. En el primer caso, se requiere de una junta de dilatacin debido a la expansin diferencial que sufren los materiales que conforman el equipo. En el segundo caso los problemas originados por la expansin diferencial se pueden eliminar empleando un cabezal de tubos flotantes que se mueve libremente dentro de la coraza o empleando tubos en forma de U en el extremo que no est sujeto.

- Intercambiadores Enfriados por Aire y Radiadores Son equipos de transferencia de calor tubulares en los que el aire ambiente al pasar por fuera de un haz de tubos, acta como medio refrigerante para condensar y/o enfriar el fluido que va por dentro de los mismos (Figura I.1- 3). Comnmente se le conoce como intercambiadores de flujo cruzado debido a que el aire se hace soplar perpendicularmente al eje de los tubos. Intercambiador de Flujo Cruzado

Consisten en un arreglo rectangular de tubos, usualmente de pocas filas de profundidad, donde el fluido caliente es condensado y/o enfriado en cada tubo al soplar o succionar aire a travs del haz mediante grandes ventiladores. Debido a que el coeficiente de transferencia de calor del aire es bajo, es usual que los tubos posean aletas para aumentar la superficie de transferencia de calor del lado del aire. Las filas de tubos generalmente se encuentran colocadas en arreglo escalonado de modo de incrementar los coeficientes de transferencia del aire. Una pequea versin de estos intercambiadores son los radiadores usados en los sistemas de enfriamiento de los vehculos y en las unidades de aire acondicionado. Los enfriadores de aire ocupan un rea relativamente grande por lo que generalmente se ubican encima de equipos de proceso (tambores, intercambiadores, etc.). Como los ventiladores son generalmente muy ruidosos, no pueden instalarse cerca de reas residenciales. Al disear estos equipos se debe tomar en cuenta el efecto de las prdidas de calor de los equipos circundantes sobre la temperatura del aire de entrada, as como, tener mucho cuidado para que cumplan con los requerimientos de servicio an en das calurosos y/o que el fluido no se congele dentro de los tubos en invierno. El aire en vez del agua, podra parecer una eleccin obvia a la hora de seleccionar un refrigerante, ya que se encuentra en el ambiente en cantidades ilimitadas. Desafortunadamente, el aire es un medio de transferencia de calor pobre en comparacin con el agua, la que posee una conductividad trmica cerca de 23 veces mayor que el aire a 35 C; el calor especfico del agua es cuatro veces ms grande y su densidad, comparada con la del aire a presin y temperatura atmosfrica es unas 800 veces mayor. En consecuencia, para una determinada cantidad de calor a transferir, se requiere de una mayor cantidad de aire, aproximadamente 4 veces ms en masa y 3200 en volumen. Como conclusin, a menos que el agua sea inasequible, la eleccin entre agua y aire como refrigerante depende de muchos factores y se debe evaluar cuidadosamente antes de tomar una decisin. Por lo general, este tipo de intercambiadores se emplea en aquellos lugares donde se requiera de una torre de enfriamiento para el agua o se tenga que ampliar el sistema de agua de enfriamiento, donde sean muy estrictas las restricciones ambientales en cuanto a los efluentes de agua donde el medio refrigerante resulte muy corrosivo o provoque taponamientos excesivos.

- Intercambiadores de Placas Empacas (PHE) A pesar de ser poco conocido, el intercambiador de placas, llamado tambin PHE por sus siglas en ingls: Plate Heat Exchanger, tiene patentes de finales del siglo XIX, especficamente hacia 1870, pero no fue sino hasta los aos 30 que comenz a ser ampliamente usado en la industria lctea por razones sanitarias. En este tipo de intercambiadores las dos corrientes de fluidos estn separadas por placas, que no son ms que lminas delgadas, rectangulares, en las que se observa un diseo corrugado, formado por un proceso de prensado de precisin (Figura I.1- 4). A un lado de cada placa, se localiza una empacadura que bordea todo su permetro. La unidad completa mantiene unidos a un cierto nmero de estas placas, sujetas cara a cara en un marco. El canal de flujo es el espacio que se forma, gracias a las empacaduras, entre dos placas adyacentes; arreglando el sistema de tal forma, que los fluidos fros y calientes corren alternadamente por dichos canales, paralelamente al lado ms largo. Existen aberturas en las 4 esquinas de las placas que conjuntamente con un arreglo apropiado en las empacaduras, dirigen a las dos corrientes en sus canales de flujo.

Intercambiador de placas empacadas (PHE). 1-Barra de soporte. 2-Conjunto de placas y empacaduras. 3-Perno para compresin. 4-Cubierta mvil. 5-Barra de soporte. 6-Cubierta fija.

Las placas son corrugadas en diversas formas, con el fin de aumentar el rea superficial efectiva de cada una; provocar turbulencia en el fluido mediante continuos cambios en su direccin y velocidad, lo que a su vez redunda en la obtencin de altos coeficientes de transferencia de calor, an a bajas velocidades y con moderadas cadas de presin. Las corrugaciones tambin son esenciales para incrementar la resistencia mecnica de las placas y favorecer su soporte mutuo. Estos equipos son los ms apropiados para trabajar con fluidos de alta viscosidad y tienen como ventaja adicional, el ser fcilmente desmontables para labores de mantenimiento. No obstante, las condiciones de operacin se encuentran limitadas por las empacaduras. En los primeros equipos la presin mxima era de 2 bar (0,2 Mpa) y la temperatura alrededor de 60 C. Pero a pesar de que el diseo bsicamente ha permanecido inalterado, los continuos avances en los ltimos 60 aos han incrementado las presiones y temperaturas de operacin hasta los 30 bar (3 Mpa) y 250 C, respectivamente. Es importante destacar que la eleccin del material de las empacaduras se vuelve ms restringida a altas temperaturas, lo que en consecuencia reduce el nmero de fluidos que pueden ser manejados por estos equipos bajo esas condiciones; adems la vida til de la unidad depende, en gran medida, del rendimiento de las empacaduras. Inicialmente, este tipo de equipos era usado en el procesamiento de bebidas y comidas, y aunque todava retienen su uso en el rea alimenticia, hoy en da son usados en una amplia gama de procesos industriales, llegando inclusive, a reemplazar a los intercambiadores de tubo y carcaza. Una variante de los PHE se consigue si las placas son soldadas juntas en los bordes, lo que previene las fugas a la atmsfera y permite el manejo de fluidos peligrosos. Un equipo construido de esta forma, se le conoce como intercambiador de placas no empacadas, y tienen como desventaja el no poder ser abierto para labores de mantenimiento, por lo que las labores de limpieza deben ser realizadas por mtodos qumicos. No obstante, las dems ventajas de las unidades de placas se mantienen. El diseo particular de este equipo permite alcanzar las presiones de operacin que se manejan en los equipos tubulares convencionales, tales como tubo y carcaza, enfriados por aire y doble tubo. Sin embargo, todava existe una limitacin en cuanto al diseo, en la que la diferencia de presin entre ambos fluidos no debe exceder los 40 bar. - Intercambiadores en Espiral (SHE)

Estos intercambiadores se originaron en Suecia hace mas de 40 aos para ser utilizados en la industria del papel y son llamados tambin SHE debido a sus siglas en ingls: Spiral Heat Exchanger. Su diseo consiste en un par de lminas de metal enrolladas (Figura I.1- 5) alrededor de un eje formando pasajes paralelos en espiral por entre los cuales fluye cada sustancia. El espaciamiento entre las lminas se mantiene gracias a que stas se encuentran soldadas a una especie de paral. Los canales que se forman en la espiral se encuentran cerrados en los extremos para que los fluidos no se mezclen. El fluir continuamente entre curvas induce turbulencia en los fluidos, lo cual mejora la transferencia de calor y reduce el ensuciamiento. Estos equipos son muy utilizados en el manejo de fluidos viscosos, lodos y lquidos con slidos en suspensin, as como tambin en operaciones de condensacin y vaporizacin. Raras veces se requiere de aislantes, ya que son diseados de tal manera que el refrigerante pase por el canal externo. Entre sus caractersticas ms resaltantes se pueden mencionar que se emplean con flujo en contracorriente puro, no presentan problemas de expansin diferencial, son compactos y pueden emplearse para intercambiar calor entre dos o ms fluidos a la vez. Estos equipos se emplean normalmente para aplicaciones criognicas. En general los SHE ofrecen gran versatilidad en sus arreglos; siendo posible variar anchos, largos, espesores, materiales, etc. De esta manera se logra que este tipo de equipos requiera 60% menos volumen y 70% menos peso que las unidades de tubo y carcaza comparables en la cantidad de calor transferido.

Intercambiadores en espiral (SHE)

Otros tipos de Intercambiadores de Calor - Intercambiadores Tipo Superficie Raspadora (Scraped-Surface)

Estos equipos tienen un elemento rotatorio provisto de una cuchilla sujeta a un resorte, la cual sirve para limpiar la superficie de transferencia de calor. Se utilizan generalmente en plantas donde el fluido es muy viscoso o tiene tendencia a formar depsitos. Se construyen como los de doble tubo. El tubo interno se encuentra disponible en dimetros nominales de 150, 200 y 300 mm (6, 8 y 12 in, respectivamente); el tubo externo forma un pasadizo anular por donde fluye el vapor o el medio refrigerante y se dimensiona de acuerdo a las necesidades de la aplicacin. El lquido viscoso se mueve a una velocidad muy baja a travs del tubo central, por lo que las porciones de lquido adyacentes a la superficie del mismo estn prcticamente estancadas, excepto cuando son removidas por las cuchillas. As, el calor se transferir principalmente por el mecanismo de conduccin, desde el fluido que va por el nulo, hasta el fluido viscoso, atravesando la pared del tubo interno. Como las cuchillas se mueven a una velocidad moderada, no habr suficiente tiempo para que el calor penetre hasta el centro del tubo interno, sino solamente una distancia muy pequea, por esta razn, la transferencia de calor en este tipo de equipos es anloga a la transmisin de calor en estado no estacionario en un slido semi-infinito. - Intercambiadores tipo bayoneta

Consisten en tubo externo y otro interno; este ltimo sirve nicamente para suplir el fluido al nulo localizado entre el tubo externo y el interno. El tubo externo est hecho normalmente de una aleacin muy costosa y el tubo interno de acero de carbono. Los intercambiadores tipo bayoneta son de gran utilidad cuando existe una diferencia de temperatura extremadamente alta entre el fluido del lado de la carcaza y el del lado de los tubos, ya que todas las partes sujetas a expansin diferencial se mueven libre e independiente una de la otra. Estos intercambiadores se utilizan en servicios con cambio de fase donde no es deseable tener un flujo bifsico en contra de la gravedad. Algunas veces se coloca en tanques y equipos de proceso para calentamiento y enfriamiento. Los costos por metro cuadrado para estas unidades son relativamente altos, ya que solamente el tubo externo transfiere calor al fluido que circula por la carcaza. - Enfriadores de Serpentn

Consisten en serpentines sumergidos en un recipiente con agua. Aunque estos enfriadores son de construccin simple, son extremadamente costosos por metro cuadrado de superficie. Se utilizan solamente por razones especiales, por ejemplo, cuando se requiere un enfriamiento de emergencia y no existe otra fuente de agua disponible. - Intercambiadores de Lminas

Estos equipos tienen aletas o espaciadores intercalados entre lminas metlicas paralelas, generalmente de aluminio. Mientras las lminas separan las dos corrientes de fluido, las aletas forman los pasos individuales para el flujo. Los pasos alternos estn conectados en paralelo mediante el uso de cabezales apropiados, as, el fluido de servicio y el de proceso pueden canalizarse permitiendo el intercambio de calor entre ambos. Las aletas estn pegadas a las lminas por medio de ajustes mecnicos, soldadura o extrusin. Estas son utilizadas en ambos lados de la placa en intercambiadores gas-gas. En los intercambiadores gas-lquido, las aletas son empleadas, usualmente, del lado del gas, donde la resistencia trmica es superior. Se emplean del lado del lquido cuando se desea suministrar resistencia estructural al equipo para favorecer la mezcla del fluido. Las condiciones tpicas de diseo son presiones bajas (menores a 100 psi), mientras que las temperaturas dependen del material y mtodo utilizado para la unin entre las aletas y las lminas. Estos equipos son muy usados en plantas de generacin de fuerza elctrica, en ciclos de refrigeracin, etc. - Condensadores de Contacto Directo

Consisten en una torre pequea, en la cual el agua y el vapor circulan juntos. El vapor condensa mediante el contacto directo con las gotas de agua. Estos equipos se utilizan solamente cuando las solubilidades del medio refrigerante y del fluido de proceso, son tales que no se crean problemas de contaminacin de agua o del producto; sin embargo deben evaluarse las prdidas del fluido de proceso en el medio refrigerante. - Enfriadores de Pelcula Vertical Descendente

Son tubos verticales de cabezal fijo. El agua desciende por dentro de los tubos formando una pelcula densa que intercambia calor con los vapores que ascienden.

Enfriadores en cascada Un condensador en cascada est constituido por una serie de tubos colocados horizontalmente uno encima del otro y sobre los cuales gotea agua de enfriamiento proveniente de un distribuidor. El fluido caliente generalmente circula en contracorriente respecto al flujo de agua. Los condensadores en cascada se utilizan solamente en procesos donde el fluido de proceso es altamente corrosivo, tal como sucede en el enfriamiento de cido sulfrico. Estas unidades tambin se conocen con el nombre de enfriadores de trombn (Trombone Coolers), de gotas o enfriadores de serpentn. - Intercambiadores de grafito impermeable

Se usan solamente en aquellos servicios que son altamente corrosivos, como por ejemplo, en la extraccin de isobutano y en las plantas de concentracin de cidos. Estas unidades se construyen de diferentes formas. Los intercambiadores de grafito cbico consisten en un bloque cbico central de grafito impermeable, el cual es agujereado para formar pasadizos para los fluidos de proceso y de servicio. Los cabezales estn unidos mediante pernos a los lados del cubo de manera de distribuir el fluido. Los cubos se pueden interconectar para incrementar el rea de transferencia de calor.Tablas comparativas:

ResumenPodemos establecer los siguientes puntos que resumen el tipo de intercambiadores de calor. Existen dos mtodos para la construccin de intercambiadores de calor: Tipo Plato y Tipo Tubo. En un intercambiador de flujo paralelo el fluido con mayor temperatura y el fluido con menor temperatura fluyen en la misma direccin. En un intercambiador de Contraflujo el fluido con mayor temperatura y el fluido con menor temperatura fluyen en con la misma direccin pero en sentido contrario. En un intercambiador de flujo cruzado el fluido con mayor temperatura y el fluido con menor temperatura fluyen formando un ngulo de 90 entre ambos, es decir perpendicular uno al otro.Las cuatro principales componentes de un intercambiador son:1. Tubos2. Plato o tubo3. Carcaza4. Bafle

Los intercambiadores de un solo paso tienen fluidos que transfieren calor de uno a otro una sola vez. Los intercambiadores de mltiple paso tienen fluidos que transfieren calor de uno a otro ms de una vez a travs del uso de tubos en forma de "U" y el uso de bafles. Los intercambiadores de calor regenerativos usan el mismo fluido para calentar y enfriar. Los intercambiadores de calor no-regenerativos usan fluidos separados para calentar y enfriar.

Aplicaciones de los intercambiadores de calor

Los intercambiadores de calor se encuentran en muchos sistemas qumicos o mecnicos. Estos sirven, como su nombre lo indica, para ganar calor o expeler calor en determinados procesos. Algunas de las aplicaciones ms comunes se encuentran en calentamiento, ventilacin, sistemas de acondicionamiento de espacios, radiadores en mquinas de combustin interna, calderas, condensadores, y precalentadores o enfriamiento de fluidos. En este apartado se revisan algunas aplicaciones especficas de intercambiadores de calor. Se intenta proveer varios ejemplos especficos de cmo funciona un intercambiador de calor en un determinado sistema, claro est que no se cubren todas las aplicaciones posibles.

Precalentador

En sistemas de vapor de gran escala, o en sistemas donde se requieren grandes temperaturas, el fluido de entrada es comnmente precalentado en etapas, en lugar de tratar de calentar dicho fluido en una sola etapa desde el ambiente hasta la temperatura final. El precalentamiento en etapas incrementa la eficiencia del la planta y minimiza el choque trmico de los componentes, que es el caso de inyectar fluido a temperatura ambiente en una caldera u otro dispositivo operando a alta temperatura. En el caso de sistemas de generacin de vapor, una porcin del vapor generado es sustrado y utilizado como fuente de calor para recalentar el agua de alimentacin en etapas. La figura () se muestra un ejemplo de la construccin y de las componentes internas de un intercambiador de calor de agua de alimentacin con tubos en forma de "U" de una planta de generacin de potencia para la etapa del precalentador. Al entrar el vapor al intercambiador de calor y fluir alrededor de los tubos, ste transfiere su energa trmica y se condensa. Observe que el vapor entra por la parte superior de la carcaza del intercambiador de calor, donde transfiere no solamente el calor sensible (cambio de temperatura) sino tambin transfiere su calor latente de la vaporizacin (condensacin del vapor en agua). El vapor condensado entonces sale como lquido en el fondo del intercambiador de calor. El agua de alimentacin entra al intercambiador de calor en el extremo inferior derecho y fluye por los tubos. Observe que la mayora de estos tubos estarn debajo del nivel fluido en el lado de la carcaza. Esto significa que el agua de alimentacin est expuesta al vapor condensado primero y en seguida viaja a travs de los tubos y por detrs alrededor del extremo superior derecho del intercambiador de calor. Despus de hacer una vuelta de 180, entonces el agua de alimentacin parcialmente calentada est sujeta a la entrada de vapor ms caliente que entra a la carcaza. El agua de alimentacin es calentada a mayor temperatura por el vapor caliente y despus sale del intercambiador de calor. En este tipo de intercambiador de calor, el nivel fluido del lado de la carcaza es muy importante en la determinacin de la eficacia del intercambiador de calor, pues el nivel fluido del lado de la carcaza determina el nmero de tubos expuestos al vapor caliente.

Radiador

Comnmente, los intercambiadores de calor estn pensados como dispositivos lquido-a-lquido solamente. Pero un intercambiador de calor es cualquier dispositivo que transfiere calor a partir de un fluido a otro fluido. Algunas plantas dependen de intercambiadores de calor aire/liquido. El ejemplo ms familiar de un intercambiador de calor aire-alquido es un radiador de automvil. El lquido refrigerante fluye por el motor y toma el calor expelido y lo lleva hasta el radiador. El lquido refrigerante fluye entonces por tubos que utilizan aire fresco del ambiente para reducir la temperatura del lquido refrigerante. Ya que el aire es un mal conductor del calor, el rea de contacto trmico 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 comnmente en la mayora de los intercambiadores de calor del aire/lquido y en algunos intercambiadores de calor lquido/lquido de alta eficacia.

Aire acondicionado, evaporador y condensadorTodos los sistemas de aire acondicionado contienen por lo menos dos intercambiadores de calor, generalmente llamados evaporador y condensador. En cualquier caso, el evaporador o el condensador, el refrigerante fluye en el intercambiador de calor y transfiere el calor, ya sea ganndolo o expeliendolo al medio fro. Comnmente, el medio fro es aire o agua.En el caso del condensador, el gas refrigerante caliente de alta presin se debe condensar a en un lquido subefriado. El condensador logra esto enfriando el gas al transferir su calor al aire o al agua. El gas enfriado es entonces condensado en lquido. En el evaporador, el refrigerante subenfriado fluye en el intercambiador de calor, y el flujo del calor se invierte, con el refrigerante relativamente fro se absorbe calor absorbido del aire ms caliente que fluye por el exterior de los tubos. Esto enfra el aire y hace hervir al refrigerante.Condensadores de vaporEl condensador del vapor, mostrado en la figura (18), es un componente importante del ciclo del vapor en instalaciones de generacin de potencia. Es un recinto cerrado en el cual el vapor sale de la turbina y se fuerza para ceder su calor latente de la vaporizacin. Es un componente necesario del ciclo del vapor por dos razones. La primera, convierte el vapor usado nuevamente en agua para regresarla al generador o a la caldera de vapor como agua de alimentacin.Esto baja el costo operacional de la planta permitiendo reutilizar el agua de alimentacin, y resulta ms fcil bombear un lquido que el vapor. La segunda razn, aumenta la eficiencia del ciclo permitiendo que el ciclo funcione opere con los gradientes ms grandes posibles de temperatura y presin entre la fuente de calor (caldera) y el sumidero de calor (condensador). Condensando el vapor del extractor de la turbina, la presin del extractor es reducida arriba de la presin atmosfrica hasta debajo de la presin atmosfrica, incrementando la cada de presin del vapor entre la entrada y la salida de la turbina de vapor. Esta reduccin de la presin en el extractor de la turbina, genera ms calor por unidad de masa de vapor entregado a la turbina, por conversin de poder mecnico. Ya que ocurre condensacin, el calor latente de condensacin se usa en lugar del calor latente de vaporizacin. El calor latente del vapor de la condensacin se pasa al agua que atraviesa los tubos del condensador. Despus de que el vapor condensa, el lquido saturado contina transfiriendo calor al agua que se enfra al ir bajando hasta el fondo del condensador. Algunos grados de subenfrado previenen la cavitacin de la bomba.

Resumen

Aplicaciones de los intercambiadores de calor: Precalentador Radiador Aire acondicionado, evaporador y condensador Condensador de vapor.El propsito de un condensador es remover calor latente de vaporizacin y condensar el vapor en lquido.Los intercambiadores condensadores condensan el vapor en lquido que es devuelto a la caldera.La eficiencia del ciclo se incrementa al asegurar un mximo gradiente de temperatura entre la fuente y el sumidero de calor.El pozo de condensado (hotwell) es el rea al fondo del condensador donde se colecta el vapor condensado y es bombeado hacia el agua de alimentacin

Relaciones gobernantesConsideremos que existen dos flujos en un intercambiador de calor, el fluido caliente tiene una razn de capacidad calorfica defina como Ch = Cph [W/K] donde [kg/s] es el flujo msico y Cph [J/kgK] es su capacidad calorfica a presin constante y anlogamente para el fluido fro se tiene Cc = Cph. Entonces, con base en la Primera Ley de la Termodinmica o Conservacin de la Energa, se establece que el calor transferido entre ambos flujos se puede describir por un balance de entalpa de la forma: q = Ch (T1 T2) = Cc (t2 t1) (1)donde los subndices 1 y 2 se refieren a entrada o salida del intercambiador, respectivamente, y las literales T y t son empleadas para indicar las temperaturas caliente y fra, respectivamente.La ecuacin (1) es una representacin ideal donde no se consideran prdidas de calor y sta slo describe el calor que ser transferido (la capacidad o comportamiento del intercambiador) para el caso donde se conocen los flujos msicos y las temperaturas de operacin. Sin embargo, dicha ecuacin no provee ninguna indicacin del tamao del intercambiador necesaria para mejorar su capacidad o eficacia. Si consideramos el tamao del intercambiador en la ecuacin (1) podemos escribir,q = U Sm = Uhov,hShm = Ucov,cScm

donde Sh y Sc son las reas de las superficies caliente y fra del intercambiador, Uh y Uc son los coeficientes globales de transferencia de calor referidos a la parte caliente y fra del intercambiador, y m es la diferencia de temperaturas en operacin. Las cantidades ov,h y ov,c son los eficacias de intercambio de aleta y en el caso donde no se conocen para el intercambiador se puede utilizar la aproximacin ov,h = ov,c = 1.As, el proceso de intercambio de calor completo se puede representar por:

Q = Uhov,hShm = Ucov,cScm = Ch (T1 T2) = Cc (t2 t1) (2)

que es en definitiva la combinacin de las ecuaciones (1) y (2).

rea de superficie del intercambiadorConsidere un tubo de longitud L como se muestra en la figura (ha). Se observa que la pared del tubo tiene un espesor s, as que el dimetro interno es menor que el dimetro externo y las reas superficiales sern ligeramente diferentes, tal que,

Si = diL (4) So = doL (5)

En el caso de un tubo con aletas, una hacia adentro del tubo y otra hacia afuera, como se muestra en la figura (hb), las reas de las superficies de dichas aletas son entonces:

Sf i = 2nibiL (6)Sf o = 2noboL (7)

donde ni y no son el nmero de aletas dentro y fuera de la pared del tubo, respectivamente, y despreciamos la transferencia de calor que ocurre a travs del rea de la pared extrema (en la punta de la aleta) de las aletas, tanto en las aletas internas como en las externas. En este caso podemos decir que las reas primas o las reas de superficie bsicas son entonces

Sbi = (di nif i) L (8)Sbo = (do nof o) L (9)

La superficie total ser entonces:Si = Sbi + Sf i = (di nif i + 2nibi) LSi = [di + ni (2bi f i)] L (10)So = [do + no (2bo f o)] L (11)

Figura h) a._ Vista del extremo de un tubo recto y b._ pequeo ngulo central de un tubo con aletas internas y externas.