Varios procesos industriales dependen de los intercambiadores de calor, para ayudar a transferir el calor entre diferentes medios de forma eficiente. Los hay de muchos tipos, cada uno diseñado para usos y aplicaciones específicos. Conocer los distintos tipos de estos equipos puede ayudarte a elegir el que mejor se adapte a tus necesidades particulares.

Principales conclusiones

• El procesamiento químico y la generación de energía son aplicaciones habituales de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos.

• Los intercambiadores de calor de placas ocupan poco espacio y tienen un alto rendimiento, por lo que son adecuados para su uso en sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, así como en refrigeración.

• Los intercambiadores de calor refrigerados por aire disipan el calor utilizando el aire ambiente y se utilizan principalmente en refinerías y centrales eléctricas.

• Los intercambiadores de calor de doble tubo son dispositivos sencillos que suelen emplearse cuando se necesita calentar aceite con niveles bajos de incrustación.

• Recuperan energía, por lo que son intercambiadores de calor de tipo regenerativo muy idóneos.

Intercambiadores de calor de carcasa y tubos

1、Diseño y estructura

Los haces de tubos se alojan en un recipiente en forma de concha que permite el movimiento del calor entre dos fluidos. El líquido caliente circula por el interior de los tubos, mientras que el fluido frío pasa a su alrededor dentro de la carcasa. Este diseño ayuda a garantizar una transferencia eficaz del calor y se aplica ampliamente en muchas industrias.

2、Aplicaciones

Las aplicaciones habituales de este tipo de intercambiadores de calor incluyen centrales eléctricas, refinerías y procesos químicos. Además, también se utilizan en sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, así como en instalaciones marinas. Su adaptabilidad las hace apropiadas para diversas tareas de gestión térmica.

3、Ventajas y desventajas

Ventajas:

• Gran eficacia en la transferencia de calor

• Adecuado para condiciones de alta presión

• Unidades fáciles de limpiar y mantener

Desventajas:

• Ocupa más espacio que otros tipos

• Coste inicial elevado.

• Posible fallo del tubo.

A pesar de su gran tamaño y sus costes más elevados, los intercambiadores de calor de carcasa y tubos siguen siendo la columna vertebral de la transferencia de calor industrial debido a su equilibrio entre eficacia y versatilidad.

Intercambiadores de calor de placas

1、Construcción y principio de funcionamiento

El intercambiador de calor de placas funciona según un principio diferente, en el que se utilizan placas metálicas para intercambiar calor entre dos fluidos. Las placas proporcionan una gran superficie por la que pasan los fluidos. Es este diseño el que permite una transferencia de calor mejorada, manteniendo al mismo tiempo tamaños compactos.

2、Usos comunes

Los tipos de placas se encuentran habitualmente en los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, en las industrias o en las adyacentes, como el procesamiento de productos químicos. Cuando se necesita una aplicación en la que el caudal directo se produzca en un espacio reducido, resulta esencial emplear aquí la placa, ya que tiene más de un uso en relación con la transición energética eficiente (Szargut et al., 2015).

3、Pros y Contras

Ventajas:

• Su gran superficie garantiza una gran eficacia.

• Ocupa menos espacio que otros tipos (Mario & Rayner 2018).

• Este sistema puede limpiarse/mantenerse fácilmente debido a su naturaleza (Hassan & Fazal 2010).

Desventajas:

• No puede utilizarse en aplicaciones de alta presión.

• Puede tener fugas si no se mantiene adecuadamente (Moran et al., 2011).

• Los intercambiadores de calor de placas son una solución flexible y eficaz en muchos entornos industriales, pero necesitan revisiones periódicas para garantizar su funcionamiento óptimo.

Intercambiadores de calor refrigerados por aire

1、Mecanismo de transferencia de calor

Los intercambiadores de calor refrigerados por aire funcionan llevando el calor de un fluido al aire circundante. Durante este procedimiento, se utilizan ventiladores para aumentar el flujo de aire sobre las superficies de intercambio de calor, con el fin de mejorar la refrigeración. La eficacia de la transferencia de calor depende de parámetros como la velocidad del aire, su tamaño y la diferencia de temperatura entre el fluido y el aire.

2、Industrias que utilizan sistemas refrigerados por aire

Los intercambiadores de calor refrigerados por aire son muy populares debido a su rentabilidad y eficiencia general en múltiples industrias como:

• Centrales eléctricas

• Plantas petroquímicas

• Refinerías

• Sistemas de climatización

Estos sistemas son especialmente útiles en zonas donde el agua es escasa o costosa.

3、Beneficios y limitaciones

Entre las ventajas de los intercambiadores de calor refrigerados por aire se incluyen:

• Menores costes operativos

• Reducción del consumo de agua

• Impacto medioambiental mínimo

Sin embargo, también hay algunos inconvenientes:

• Necesitan más espacio que los refrigerados por agua

• Depende de la temperatura ambiente

• Posibilidad de ruido debido al sonido del ventilador en funcionamiento.

Los intercambiadores de calor refrigerados por aire desempeñan un papel importante en distintos procesos industriales, porque ofrecen una solución eficaz y sostenible para sus necesidades de calefacción.

Intercambiadores de calor de doble tubo

1、Configuración y funcionamiento

El tubo doble dimpleflo (también conocido como «tubo en tubo») es la configuración más sencilla y resistente que puede encontrarse en un intercambiador de calor higiénico. Consiste en un tubo interior dentro de otro exterior, lo que hace posible que dos fluidos fluyan en direcciones opuestas, facilitando así una transferencia eficaz de energía térmica.

2、Aplicaciones Típicas

En situaciones en las que el espacio es limitado y se necesita un dispositivo básico barato, los intercambiadores de calor de doble tubo encuentran su aplicación. Pueden encontrarse típicamente, entre otros, en

• Procesamiento químico,

• Producción de alimentos y bebidas,

• Industria del petróleo y del gas.

3、Fuerzas y debilidades

Se han preferido las configuraciones de doble tubería por sus características de facilidad de uso cuando se trata de cuestiones de mantenimiento.

Puntos fuertes:

• Diseño de construcción sencillo,

• Enfoque rentable,

• Fácil proceso de saneamiento,

Puntos débiles:

• Área de transferencia de calor limitada,

• No es viable para operaciones a gran escala,

• Puede ensuciar ciertos líquidos.

Intercambiadores de Calor Regenerativos

1、Funcionalidad y diseño

Otras denominaciones de los intercambiadores de calor regenerativos son intercambiadores de calor recuperativos o de almacenamiento. Tales dispositivos transfieren la energía térmica de un fluido caliente a otro frío habiéndola almacenado primero del primero; esta operación se repite una y otra vez dentro del ciclo, lo que implica el empleo de un determinado medio de transferencia de calor como matriz o lecho de partículas en ella. ¿En qué se basa la elección de este enfoque? Puede ser un modelado estático o dinámico, según el sistema.

2、Escenarios de uso

Las centrales eléctricas, los procesos químicos, los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, etc., son algunas de las principales áreas en las que se aplican con más frecuencia este tipo de intercambiadores de calor, ya que su calidad suele ser alta y su coste extremadamente bajo. Este tipo de equipo se adapta mejor a los casos en que hay una diferencia apreciable de temperatura entre los fluidos.

3、Principales ventajas e inconvenientes

Ventajas:

• Gran eficiencia térmica

• Ahorro de energía

• Reducción de los gastos de explotación

Desventajas:

• Mayores costes iniciales

• Complejidad de diseño y mantenimiento

• Riesgo de fatiga térmica

Significa que sin intercambiadores de calor regenerativos muchos procesos industriales habrían sido imposibles por su equilibrio entre eficacia y rentabilidad.

Intercambiadores de calor compactos

1、Características de diseño

Los intercambiadores de calor compactos están diseñados para maximizar la superficie de transferencia de calor en un espacio reducido. Son eficaces y, en muchos casos, resultan necesarias cuando el tamaño y la masa son consideraciones importantes. Básicamente, tienen numerosos canales o placas pequeñas muy próximas entre sí que favorecen el intercambio eficaz de calor.

2、Áreas de aplicación

Los intercambiadores de calor compactos encuentran aplicaciones en distintas industrias porque permiten ahorrar espacio. Algunas de las principales áreas de aplicación son

• Radiadores de refrigeración de agua y aceite para automóviles

• Aplicaciones de aire acondicionado

• Recuperación de calor de proceso y residual

• Sistemas de conversión de energía térmica oceánica

3、Ventajas y retos

Ventajas	Desafíos
Alta eficacia	Potencial de ensuciamiento
Ahorra espacio	Mayor coste inicial
Ligero	Complejidad del mantenimiento

Intercambiadores de calor de contacto directo

1、Mecanismo de funcionamiento

En los intercambiadores de calor de contacto directo, dos corrientes de fluido entran en contacto físico entre sí, lo que permite el calentamiento sin que haya ninguna pared de separación. Este método es muy eficaz para determinadas aplicaciones en las que se permite la mezcla de fluidos.

2、Aplicaciones prácticas

Los intercambiadores de calor de contacto directo se utilizan habitualmente en:

• Torres de refrigeración (agua)

• Sistemas de depuración de gases

• Humidificadores

3、Pros y Contras

Pros:

• Alto rendimiento térmico

• Menor coste gracias a un diseño más sencillo

• Eficacia para operaciones a gran escala

Contras:

• Limitado a casos en los que hay mezcla de fluidos

• Riesgo de contaminación

• Las propiedades de los fluidos deben controlarse cuidadosamente.

El intercambiador de calor de contacto directo satisface las situaciones que requieren un alto rendimiento y rentabilidad, pero hay que mantener una compatibilidad total de los fluidos.

Conclusión

Reflexiones finales: los intercambiadores de calor son cruciales en muchas aplicaciones industriales y domésticas. Conocer los distintos tipos de intercambiadores de calor, como los de carcasa y tubos, los de placas y los refrigerados por aire, ayuda a elegir el mejor en función de las necesidades específicas y las condiciones del entorno. Cada tipo tiene unas ventajas y unos inconvenientes que hacen que sea esencial tener en cuenta factores como la eficacia, el coste y el mantenimiento al seleccionar un sistema de intercambio de calor adecuado para un fin determinado. Las industrias pueden optimizar sus procesos de gestión térmica utilizando equipos intercambiadores de calor adecuados, con lo que conseguirán un mayor rendimiento y ahorrarán energía.

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Q1. ¿Qué es un intercambiador de calor?

A1. Dispositivo que transfiere calor entre dos o más fluidos sin mezclarlos. Se utiliza habitualmente en sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC).

Q2. ¿Cómo funciona un intercambiador de carcasa y tubos?

A2. Está formado por una serie de tubos; un conjunto contiene el fluido caliente, mientras que el otro contiene el fluido frío. El calor se transfiere a través de las paredes de los tubos, por lo que no hay contacto directo entre los líquidos.

Q3. ¿Cuáles son las ventajas de los intercambiadores de calor de placas?

Los Intercambiadores de Calor de Placas A3 son aparatos sencillos que ahorran espacio y tienen altas caídas de presión para la mezcla que poseen propiedades ventajosas.

P4.¿En qué industrias se utilizan habitualmente los intercambiadores de calor refrigerados por aire?

A4.Los intercambiadores de calor refrigerados por aire suelen encontrarse en centrales de generación de energía, petroquímicas y refinerías, donde el agua es escasa o cara.

P5.¿Cuál es la principal ventaja de utilizar intercambiadores de calor de doble tubo?

A5.Los Intercambiadores de Calor de Doble Tubo tienen una aplicación a pequeña escala con una buena eficacia en una amplia gama de caudales de fluidos.

P6.¿Son eficientes energéticamente los intercambiadores de calor regenerativos?

Sí, son eficientes energéticamente porque recuperan el calor residual del proceso de los gases/fluidos de escape y lo reutilizan para precalentar la corriente de alimentación entrante, reduciendo así el consumo total de energía de la planta.