INTERCAMBIADORES DE CALOR
INTRODUCCIÓN
En el ámbito de la ingeniería y
la industria moderna, la transferencia de energía térmica entre fluidos
constituye un proceso esencial para el funcionamiento eficiente de numerosos
sistemas. Este fenómeno es especialmente relevante en aplicaciones donde se requiere
calentar, enfriar, condensar o evaporar un fluido, sin que exista contacto
directo entre las sustancias involucradas. En este contexto, los intercambiadores de calor
se presentan como dispositivos clave, diseñados para facilitar dicho
intercambio térmico de manera controlada y eficaz. Estos equipos se encuentran
presentes en una gran diversidad de sectores industriales, incluyendo la
generación de energía, la industria alimentaria, la petroquímica, la
farmacéutica, la climatización y la manufactura en general, lo que evidencia su
importancia tecnológica y económica. El diseño y operación de un intercambiador
de calor se fundamentan en los principios de la termodinámica y la transferencia de calor,
los cuales permiten predecir el comportamiento térmico de los sistemas
involucrados. El conocimiento detallado sobre cómo fluye el calor entre medios
de diferentes temperaturas, y cómo afectan variables como el tipo de fluido, el
régimen de flujo, la geometría del equipo y el material de construcción, resulta
crucial para optimizar el desempeño del proceso. Una correcta selección del
tipo de intercambiador no solo mejora la eficiencia energética, sino que
también reduce el impacto ambiental y los costos operativos.
Actualmente, existen múltiples
configuraciones de intercambiadores de calor, como los de carcasa y tubos, de
placas, de doble tubo, entre otros, cada uno con características particulares
que se adaptan a diferentes necesidades. Por todo esto, el estudio detallado de
los intercambiadores de calor es indispensable en la formación de ingenieros
mecánicos, químicos e industriales, ya que su comprensión y aplicación adecuada
permite el desarrollo de procesos más sostenibles y competitivos.
DESARROLLO
DEFINICIÓN
Un
intercambiador de calor es un dispositivo que permite la transferencia de
energía térmica entre dos fluidos a diferentes temperaturas, sin que estos se
mezclen entre sí. La transferencia de calor puede ocurrir por conducción,
convección o radiación, dependiendo del diseño del equipo y de las condiciones
de operación (Incropera et al., 2017).
Un intercambiador
de calor es un dispositivo diseñado para transferir temperatura entre 2
fluidos o entre un fluido y un sólido que está en contacto con dos fluidos. Son
elementos fundamentales en los sistemas de calefacción, refrigeración,
acondicionamiento de aire, producción de energía, procesamiento químico, además
de en aparatos de la vida cotidiana como calentadores, frigoríficos, calderas, ordenadores,
el radiador del
motor de un automóvil, etc.
Principios de funcionamiento
Estos equipos son fundamentales en los procesos térmicos industriales, ya que permiten reutilizar la energía térmica y reducir el consumo energético. El principio básico de operación es la Ley de Fourier para la conducción de calor y las ecuaciones de transferencia de calor por convección (Incropera et al., 2017). El diseño del intercambiador busca maximizar el área de contacto térmico entre los fluidos, minimizar las pérdidas de presión y asegurar una operación eficiente y segura.
Entre los tipos más comunes de
intercambiadores están los de carcasa y tubos, placas, aletados, de espiral y
de superficie rascada, cada uno con características particulares en cuanto a su
configuración y aplicación. El funcionamiento del equipo puede ser de flujo
paralelo, contracorriente o cruzado, lo cual influye en la eficiencia térmica
del proceso.
Aquí adjuntamos dos videos explicativos de cómo funcionan los intercambiadores están los de carcasa y tubos.
ESQUEMA
A
continuación, se describen las partes principales de un intercambiador de calor
de carcasa y tubos, uno de los más utilizados en la industria:
·
Carcasa
(shell): Es el cuerpo cilíndrico externo que contiene el fluido que fluye por
el exterior de los tubos.
·
Tuberías
(tubes): Cilindros internos donde circula el segundo fluido.
·
Placas
tubulares: Elementos que fijan los tubos en cada extremo de la carcasa.
·
Deflectores:
Estructuras internas que dirigen el flujo del fluido dentro de la carcasa,
mejorando la transferencia de calor.
·
Cabezal
de entrada y salida: Puntos donde se introducen y se extraen los fluidos.
Intercambiadores de Calor
Carcasa y Tubos.
(a) Un paso por la carcasa
y tubos, flujo contracorriente.
(b) Dos pasos por la
carcasa y cuatro pasos por los tubos.
(c) Un paso por la carcasa
y dos pasos por los tubos.
CLASIFICACIÓN
Los
intercambiadores de calor pueden clasificarse de diversas formas, según su
diseño, flujo y aplicación:
De acuerdo a la forma de contacto térmico:
·
Intercambiadores directos: Este tipo de
intercambiador, el calor es transferido por contacto directo entre dos
corrientes distintas fases (generalmente un gas y un líquido de muy baja presión
de vapor) fácilmente separables después del proceso de transferencia de
energía; como ejemplo se tienen las torres de enfriamiento de agua con flujo de
aire. El flujo de aire puede ser forzado o natural.
·
Intercambiadores
indirectos:
En los intercambiadores de tipo contacto indirecto, las corrientes permanecen
separadas y la transferencia de calor se realiza a través 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
frio se denominan intercambiadores tipo transferencia indirecta, o tipo
almacenador o sencillamente regenerador.
De acuerdo a los mecanismos de transferencia
de calor
Los
mecanismos básicos de transferencia de calor entre un fluido y una superficie
son:
· Convección con cambio de fase, forzada o libre: condensación o ebullición.
· Una combinación de convección y radiación.
Cualquiera
de estos mecanismos o una combinación de ellos puede estar activo a cada lado
de la pared del equipo. Por ejemplo, convección en una sola fase se encuentra
en radiadores de los automóviles, enfriadores, refrigeradores, etc. Convección
monofásica de un lado y bifásica del otro se puede encontrar en evaporadores,
generadores de vapor, condensadores, etc. Por su parte la convección acompañada
de radiación térmica juega un papel importante en intercambiadores de metales
líquidos, hornos, etc.
De Acuerdo al Número de Fluidos Involucrados
La
mayoría de los procesos de disipación o recuperación de energía térmica
envuelve la transferencia de calor entre dos fluidos, de aquí que los
intercambiadores de dos fluidos sean los más comunes, sin embargo, se
encuentran equipos que operan con tres fluidos. Por ejemplo, en procesos
criogénicos y en algunos procesos químicos: separación aire-helio, síntesis de
amonio, etc.
De Acuerdo a la Disposición de los Fluidos
La
escogencia de una disposición de flujo en particular depende de la eficiencia
de intercambio requerida, los esfuerzos térmicos permitidos, los niveles de
temperatura de los fluidos, entre otros factores. Algunas de las disposiciones
de flujo más comunes son:
Intercambiadores de Calor
de Paso Único
Se distinguen tres tipos
básicos:
·
Flujo en Paralelo o
Cocorriente:
En este tipo ambos fluidos entran al equipo por el mismo extremo, fluyen en la
misma dirección y salen por el otro extremo. Las variaciones de temperatura son
idealizadas como unidimensionales Termodinámicamente es una de las
disposiciones más pobres, sin embargo, se emplea en los siguientes casos:
cuando los materiales son muy sensibles a la temperatura ya que produce una
temperatura más uniforme; cuando se desea mantener la misma efectividad del
intercambiador sobre un amplio intervalo de flujo y en procesos de ebullición,
ya que favorece el inicio de la nucleación.
·
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
disposición de flujo termodinámicamente superior a cualquier otra.
· Flujo Cruzado: En este tipo de intercambiador, los flujos son normales uno al otro. Las variaciones de temperatura son idealizadas como bidimensionales.
La reacción del flujo de los fluidos dentro de un intercambiador de calor se conoce como arreglo de flujo. Existen tres arreglos básicos y la combinación de ellos da origen a arreglos complejos, como se muestra en la imagen.
Intercambiadores de Calor de Pasos Múltiples
Una
de las ventajas de los pasos múltiples es que mejoran el rendimiento total del
intercambiador, con relación al paso único. Pueden encontrarse diferentes
clasificaciones de acuerdo a la construcción del equipo: Paralelo-cruzado,
contracorriente-paralelo, contracorriente-cruzado y combinaciones de éstos.
De Acuerdo a la Compactación de la Superficie
De
acuerdo a la relación superficie de transferencia de calor a volumen ocupado,
los equipos también pueden ser clasificados como compactos o no compactos. Un
intercambiador compacto es aquel cuya relación superficie a volumen es alta,
mayor de 700 m 2 /m3 (213 ft 2 /ft 3)
valor que es arbitrario. Las ventajas más 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 Construcción
De
los diversos tipos de intercambiadores de calor, en esta parte solo se van a
describir algunos de los más importantes y más usados a nivel industrial.
·
Intercambiador de Doble
Tubo: Este
es uno de los diseños más simples y consiste básicamente de dos tubos
concéntricos, en donde una corriente circula por dentro del tubo interior
mientras que la otra circula por el ánulo formado entre los tubos. Este es un
tipo de intercambiador cuya construcción es fácil y económica, lo que lo hace
muy útil. Las partes principales de este tipo de intercambiador (Figura 1) son
dos juegos de tubos concéntricos, dos "T" conectoras [7], un cabezal
de retorno [4] y un codo en “U” [1]. La tubería interior se soporta mediante
estoperos, y el fluido entra a ella a través de una conexión localizada en la
parte externa del intercambiador. Las “T” tienen conexiones que permiten la
entrada y salida del fluido que circula por el ánulo y el cruce de una sección
a la otra a través de un cabezal de retorno. La tubería interior se conecta
mediante una conexión en “U” que generalmente se encuentra expuesta al ambiente
y que no proporciona superficie efectiva de transferencia de calor.
dc
Estos
equipos son sumamente útiles, ya que se pueden fabricar en cualquier taller de
plomería a partir de partes estándar obteniendo así superficies de
transferencia de calor a un costo muy bajo. Generalmente se ensamblan en
longitudes efectivas de 12, 15 o 20 pies, en donde longitud efectiva se define
como la distancia en cada rama sobre la que ocurre transferencia de calor,
excluyendo la conexión en “U” del tubo interno y sus prolongaciones. Cuando
estos equipos se emplean en longitudes mayores de 20 pies, el tubo interior
tiende a pandear, lo que se origina una mala distribución de flujo en el ánulo.
·
Intercambiadores de Tubo y
Carcaza o de Tubo y Coraza:
De los diversos tipos de intercambiadores de calor, éste es el más utilizado en
las refinerías y plantas químicas en general debido a que:
- Proporciona flujos de calor elevados en relación con su peso y volumen.
- Es relativamente fácil de construir en una gran variedad de tamaños.
- Es bastante fácil de limpiar y de reparar.
- Es versátil y puede ser diseñado para cumplir prácticamente con cualquier aplicación
Este
tipo de equipo consiste en una carcasa cilíndrica que contiene un arreglo de
tubos paralelo al eje longitudinal de la carcasa. Los tubos pueden o no tener
aletas y están sujetos en cada extremo por láminas perforadas. Estos atraviesan
a su vez a una serie de láminas denominadas deflectores (baffles) que, al ser
distribuidas a lo largo de toda la carcasa, sirven para soportar los tubos y
dirigir el flujo que circula por la misma, de tal forma que la dirección 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. Hay dos tipos básicos 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 carcasa, y el que tiene un sólo extremo de los tubos sujeto a la
coraza. En el primer caso, se requiere de una junta de dilatación debido a la
expansión diferencial que sufren los materiales que conforman el equipo.
· 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, actúa como medio refrigerante para condensar y/o enfriar el fluido que va por dentro de los mismos. Comúnmente se le conoce como intercambiadores de flujo cruzado debido a que el aire se hace soplar perpendicularmente al eje de los tubos.
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 través 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 pequeña versión de estos intercambiadores son los radiadores usados en los
sistemas de enfriamiento de los vehículos y en las unidades de aire
acondicionado.
·
Intercambiadores de Placas
Empacadas (PHE):
A pesar de ser poco conocido, el intercambiador de placas, llamado también PHE
por sus siglas en inglés: Plate Heat Exchanger, tiene patentes de finales del
siglo XIX, específicamente hacia 1870, pero no fue sino hasta los años 30 que
comenzó a ser ampliamente usado en la industria láctea por razones sanitarias.
En este tipo de intercambiadores las dos corrientes de fluidos están separadas
por placas, que no son más que láminas delgadas, rectangulares, en las que se
observa un diseño corrugado, formado por un proceso de prensado de precisión. A
un lado de cada placa, se localiza una empacadora que bordea todo su perímetro.
La unidad completa mantiene unidos a un cierto número de estas placas, sujetas
cara a cara en un marco. El canal de flujo es el espacio que se forma, gracias
a las empacadoras, entre dos placas adyacentes; arreglando el sistema de tal
forma, que los fluidos fríos y calientes corren alternadamente por dichos
canales, paralelamente al lado más largo. Existen aberturas en las 4 esquinas
de las placas que conjuntamente con un arreglo apropiado en las empacadoras,
dirigen a las dos corrientes en sus canales de flujo.
Las
placas son corrugadas en diversas formas, con el fin de aumentar el área
superficial efectiva de cada una; provocar turbulencia en el fluido mediante
continuos cambios en su dirección y velocidad, lo que a su vez redunda en la
obtención de altos coeficientes de transferencia de calor, aún a bajas
velocidades y con moderadas caídas de presión. Las corrugaciones también son
esenciales para incrementar la resistencia mecánica de las placas y favorecer
su soporte mutuo. Estos equipos son los más apropiados para trabajar con
fluidos de alta viscosidad y tienen como ventaja adicional, el ser fácilmente
desmontables para labores de mantenimiento. No obstante, las condiciones de
operación se encuentran limitadas por las empacadoras. En los primeros equipos
la presión máxima era de 2 bar (0,2 Mpa) y la temperatura alrededor de 60 °C. Una
variante de los PHE se consigue si las placas son soldadas juntas en los
bordes, lo que previene las fugas a la atmósfera 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 métodos químicos.
·
Intercambiadores en Espiral
(SHE): Estos
intercambiadores se originaron en Suecia hace mas de 40 años para ser
utilizados en la industria del papel y son llamados también SHE debido a sus
siglas en inglés: Spiral Heat Exchanger. Su diseño consiste en un par de
láminas de metal enrolladas alrededor de un eje formando pasajes paralelos en
espiral por entre los cuales fluye cada sustancia. El espaciamiento entre las
láminas se mantiene gracias a que éstas 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 líquidos con sólidos en suspensión, así como
también en operaciones de condensación y vaporización. Raras veces se requiere
de aislantes, ya que son diseñados de tal manera que el refrigerante pase por
el canal externo. Entre sus características más resaltantes se pueden mencionar
que se emplean con flujo en contracorriente puro, no presentan problemas de
expansión diferencial, son compactos y pueden emplearse para intercambiar calor
entre dos o más fluidos a la vez. Estos equipos se emplean normalmente para
aplicaciones criogénicas. 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.
APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA
Los intercambiadores de calor tienen un uso
extendido en múltiples industrias por su capacidad de aprovechar la energía
térmica:
·
Industria petroquímica: Para enfriar productos refinados o calentar crudos.
·
Industrias alimentarias: En procesos de pasteurización, esterilización y enfriamiento de
productos líquidos.
·
Industria farmacéutica: Para controlar temperaturas en reacciones químicas sensibles.
·
Centrales térmicas: Como condensadores o regeneradores de calor.
·
HVAC (Calefacción,
Ventilación y Aire Acondicionado): En sistemas de
climatización y refrigeración.
Su correcta selección e instalación incide
directamente en la eficiencia energética de los procesos, el ahorro de recursos
y la sostenibilidad ambiental de las operaciones industriales.
CONCLUSIÓN
El
conocimiento sobre los intercambiadores de calor y su funcionamiento es
esencial en el ámbito de las operaciones unitarias. Estos equipos son fundamentales
en la eficiencia de los procesos industriales, ya que permiten una óptima
gestión térmica, reducción de costos operativos y aprovechamiento energético.
Comprender sus principios, clasificaciones y aplicaciones industriales es clave
para diseñar, operar y mantener sistemas de transferencia de calor que
contribuyan a la innovación y sustentabilidad del sector productivo. En este
sentido, su estudio y análisis dentro de la ingeniería son prioritarios para la
formación de profesionales capaces de enfrentar los desafíos térmicos de los
procesos modernos.
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VIDEO DE LA EXPOSICION:
https://drive.google.com/file/d/13fYd6sUcX6CWMGUvcJPvEMQ26mXyamkM/view?usp=drivesdk
DIAPOSITIVAS:
INFORME:
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