Instalación de energía solar térmica

Planta de energia solar
Termoeléctrica

Intercambiador de calor

Intercambiador de calor

En la ingeniería un intercambiador de calor (o simplemente un intercambiador) es un aparato en el que la energía térmica se intercambia entre dos fluidos que tienen diferentes temperaturas.

Desde el punto de vista termodinámico, los intercambiadores de calor pueden asimilarse a sistemas abiertos que funcionan sin intercambio de trabajo; en otras palabras, intercambian materia y calor con el exterior, pero no intercambian trabajos.

En la industria de la energía solar térmica el intercambiador de calor se utiliza para transferir el calor captado a través de la radiación solar que se encuentra desde fluido que circula por los colectores solares a otro fluido. Este otro fluido es el que circulará por el sistema de calefacción o se almacenará directamente en un acumulador.

Aunque se usan ampliamente en la industria para controlar la temperatura del proceso, en la vida cotidiana se encuentran muchos ejemplos de intercambiadores de calor. Algunos ejemplos de intercambiadores de calor comunes son el radiador del automóvil y el calentador para calefacción doméstica.

Clasificación de intercambiadores de calor

Existen diferentes criterios de clasificación para los intercambiadores de calor basados ​​en diferentes características.

Clasificación por contacto entre corrientes

Dependiendo del modo de contacto entre las dos corrientes, los intercambiadores de calor pueden ser:

  • en contacto directo: si las interfaces de los fluidos que intercambian calor están en contacto directo entre sí; Las dos corrientes intercambian energía térmica y materia, es decir, no están separadas por paredes;
  • en contacto indirecto: si los fluidos no están en contacto directo entre sí; esta posibilidad se presenta, por ejemplo, en el caso de los intercambiadores de superficie, en los que los dos fluidos están separados por una superficie que es atravesada por el flujo de calor.

En la gran mayoría de los casos, los cuerpos fríos y calientes que circulan dentro de un intercambiador de calor son fluidos (es decir, en líquido, gas o vapor).

Clasificación de los intercambiadores de superficie por modelo de construcción

Dependiendo de la geometría del intercambiador, se puede definir (citando solo los casos principales):

Intercambiadores térmicos tubulares

  • Intercambiador térmico de doble tubo (o "tubos concéntricos"): los fluidos fluyen en dos tubos coaxiales, uno interior (tubo o tubo) y otro exterior (anillo o camisa).
  • Intercambiador de calor de carcasa y tubos: uno de los fluidos pasa por el interior de los tubos (generalmente con una sección circular) y el otro por el exterior de los tubos, en una cámara especialmente diseñada (carcasa).
  • Intercambiador de calor de trombón (o intercambiador de calor por goteo): consiste en un tubo de forma helicoidal o serpentina dentro del cual fluye el fluido del proceso que se enfría a través de una película de agua que gotea desde arriba.
  • Intercambiador de calor de superficie rascada: los tubos de estos intercambiadores tienen cuchillas giratorias en su interior que desechan la superficie interna del tubo;
  • Intercambiador térmico de superficie sumergida. Bobina para calentar o enfriar fluidos.
  • Tubos dentro de los hornos: los tubos se calientan por irradiación e intercambian calor con las corrientes que pasan a través de ellos.
  • Intercambiador de calor de placas: los dos fluidos traslapan los lados opuestos de una lámina en cámaras alternas y aisladas. La geometría de estos intercambiadores es similar a la prensa de filtro. Un caso especial es el intercambiador de roll-bond, en el que los canales de un lado son internos a una hoja de monobloque, mientras que en el otro lado hay un fluido, generalmente estacionario.
  • Intercambiador en espiral: los dos fluidos pasan a los lados opuestos de una lámina, generalmente lisos, en cámaras únicas de gran longitud, enrolladas en espiral.
  • Intercambiador de bloques de grafito u otro material: las corrientes circulan en orificios cilíndricos, generalmente dispuestos ortogonalmente en los dos lados; intercambiadores de superficie extendida.
  • Equipo encamisado.
  • Tipo regenerativo: las corrientes se envían alternativamente dentro de una cámara de ladrillos inertes (regenerador Cowper), o en particular unidades giratorias en chapa metálica (intercambiador Ljungström).

Intercambiadores de placas

Clasificación por compacidad

La "compacidad" de un intercambiador de calor está representada por la "densidad de área de superficie" (expresada en m2/m3), que es igual a la relación entre el área de la superficie de intercambio y el volumen del intercambiador de calor.

En el caso de que el intercambio de calor tenga lugar entre un gas y otro fluido, según el valor de densidad del área de superficie, los intercambiadores se dividen en:

  • Intercambiadores de calor compactos: con una densidad de área de superficie superior a 700 m2/m3;
  • Intercambiadores no compactos: con una densidad de área de superficie inferior a 700 m2/m3.

En el caso de que el intercambio tenga lugar entre dos líquidos o si está asociado con un cambio de fase, definimos:

  • Intercambiadores de calor compactos: con una densidad de área de superficie superior a 400 m2/m3;
  • Intercambiadores no compactos: con una densidad de área de superficie inferior a 400 m2/m3.

Clasificación de intercambiadores termodinámicos por tipo de proceso

Dependiendo del proceso para el que se utilizan, los intercambiadores pueden ser, de tipo sensible (solo intercambian calor sensible), enfriador (un fluido de proceso se enfría a través de un fluido de servicio, calentador (un fluido de proceso es calentado por un fluido de servicio), sobrecalentador, hervidor (se pone a hervir un líquido), evaporador, condensador (un aeriforme es condensado), captador.

A veces, el término "intercambiador" se usa con un significado más estrecho, refiriéndose al caso específico en el que el propósito del equipo es el intercambio termodinámico entre dos fluidos de proceso, se llama "enfriador" y "calentador" cuando uno de los dos corrientes consiste en un fluido de servicio, por lo que el propósito es enfriar o calentar un fluido de proceso.

Clasificación por perfil térmico

Perfiles de temperatura para el intercambio a contra corriente y para el intercambio en la misma corriente.

La mayoría de los procesos termodinámicos de intercambio de calor no son isotérmicos, es decir, se producen a una temperatura variable. En otras palabras, un cuerpo entra en baja temperatura y se calienta. El otro ingresa a alta temperatura y se enfría. En los casos más simples, el intercambio térmico entre los dos fluidos puede tener lugar principalmente de tres maneras:

  • Intercambio en corriente equitativa: los fluidos se mueven en caminos paralelos a lo largo de la misma línea.
  • Intercambio a contracorriente: los fluidos se mueven en caminos paralelos, pero en direcciones opuestas.
  • Intercambio de corriente cruzada: los fluidos se mueven por caminos ortogonales.

Solo en el caso de intercambio a contracorriente, la temperatura de salida del fluido frío puede ser más alta que la temperatura de salida del fluido caliente. En el caso de intercambio de corriente equitativa, las temperaturas de los dos fluidos se aproximan entre sí durante el cruce del intercambiador de calor y, en teoría, pueden alcanzar el mismo valor (igual a la temperatura de equilibrio de los dos fluidos) si la superficie de intercambio tiene un área infinita: esto es obviamente una condición límite, inalcanzable en la práctica.

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Última revisión: 13 de febrero de 2019