Intercambiador de calor

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Un intercambiador de calor  es un dispositivo técnico en el que se intercambia calor entre dos medios que tienen diferentes temperaturas .

Según el principio de funcionamiento, los intercambiadores de calor se dividen en recuperadores y regeneradores. En los recuperadores, los portadores de calor en movimiento están separados por una pared. Este tipo incluye la mayoría de los intercambiadores de calor de varios diseños. En los intercambiadores de calor regenerativos, los refrigerantes fríos y calientes están en contacto con la misma superficie a su vez. El calor se acumula en la pared al entrar en contacto con un refrigerante caliente y se libera al entrar en contacto con uno frío, como, por ejemplo, en los capuchones de los altos hornos .

Los intercambiadores de calor se utilizan en procesos tecnológicos de refinación de petróleo, petroquímica, química, nuclear, refrigeración, gas y otras industrias, en energía y servicios [1] .

El diseño del intercambiador de calor depende de las condiciones de uso. Hay dispositivos en los que, simultáneamente con la transferencia de calor, ocurren procesos adyacentes, como transformaciones de fase , por ejemplo, condensación , evaporación , mezcla. Dichos dispositivos tienen sus propios nombres: condensadores, evaporadores, torres de enfriamiento , condensadores de mezcla.

Dependiendo de la dirección del movimiento de los portadores de calor, los intercambiadores de calor recuperativos pueden ser de flujo directo con movimiento paralelo en una dirección, contracorriente con movimiento paralelo en sentido contrario, así como con movimiento transversal mutuo de dos medios que interactúan.

Los principales tipos de intercambiadores de calor

Los intercambiadores de calor recuperativos más comunes en la industria son:

• Intercambiadores de calor de carcasa y tubos (shell-and-tube),
• Intercambiadores de calor elementales (seccionales),
• Intercambiadores de calor bitubo del tipo "tubo en tubo" [2] ,
• cambiadores de calor torcidos,
• Intercambiadores de calor de inmersión,
• Intercambiadores de calor para riego,
• intercambiadores de calor con aletas,
• cambiadores de calor espirales ,
• Intercambiadores de calor de placas ,
• Intercambiadores de calor de placas y aletas ,
• cambiadores de calor del grafito,
• Intercambiadores de calor minicanal [3] .
• Intercambiadores de calor helicoidales

Diseños de intercambiadores de calor

Los principales tipos de intercambiadores de calor recuperativos.

• Intercambiadores de calor de carcasa y tubos . Las placas de tubos están soldadas al cuerpo, la carcasa en los extremos, en la que se fijan los haces de tubos. Básicamente, las tuberías en las rejillas se sujetan con un sello abocinado o de alguna otra manera, según el material de las tuberías y la presión en el aparato. Las placas de tubos se cierran con cubiertas en juntas y pernos o espárragos. En el cuerpo hay ramificaciones (accesorios) a través de las cuales pasa un refrigerante a través del anillo. El segundo refrigerante pasa a través de las tuberías (accesorios) en las cubiertas a través de las tuberías. En el intercambiador de calor de paso múltiple, se instalan deflectores en el cuerpo y cubiertas para aumentar la velocidad de los portadores de calor. Para aumentar la transferencia de calor, se utiliza el aleteo de los tubos de intercambio de calor, que se realiza moleteando o enrollando la cinta. Si es necesario, el diseño del aparato debe prever su limpieza.
• Intercambiadores de calor de elementos . Cada elemento de dicho aparato es un simple intercambiador de calor de carcasa y tubos sin deflectores. Tales dispositivos permiten al mismo tiempo una presión más alta. Sin embargo, este diseño resulta ser más voluminoso y pesado que el aparato de carcasa y tubos.
• Intercambiadores de calor de inmersión . En un intercambiador de calor de serpentín sumergido, un refrigerante se mueve a lo largo de un serpentín sumergido en un tanque con otro refrigerante líquido. La velocidad del líquido en el espacio anular es despreciable y, en consecuencia, la transferencia de calor desde el líquido es relativamente pequeña. Este tipo de intercambiadores de calor se utilizan por su sencillez y bajo coste en pequeñas instalaciones.
• Intercambiadores de calor del tipo "tubo en tubo" . El elemento de intercambio de calor de dicho aparato se muestra en la figura. Los elementos separados están interconectados por ramales y bobinas, formando un aparato integral del tamaño requerido. Estos intercambiadores de calor se utilizan con caudales bajos y presiones altas.
• Intercambiadores de calor para riego . Este tipo de intercambiador de calor se utiliza principalmente como condensadores en unidades de refrigeración. El intercambiador de calor de riego es un serpentín de tubos horizontales colocados en un plano vertical en forma de una serie de tramos paralelos. Encima de cada fila hay un conducto desde el cual el agua de enfriamiento fluye en chorros hacia los tubos de intercambio de calor, lavando su superficie exterior. En este caso, parte del agua de refrigeración se evapora. El agua restante es devuelta por la bomba y las pérdidas se compensan con el suministro de agua. Estos intercambiadores de calor se instalan al aire libre y se encierran con rejillas de madera para reducir el arrastre de agua.
• Intercambiadores de calor de grafito . Los intercambiadores de calor para ambientes químicamente agresivos están hechos de bloques de grafito, los cuales están impregnados con resinas especiales para eliminar la porosidad. El grafito tiene buena conductividad térmica. Los canales para refrigerantes están perforados en los bloques. Los bloques se sellan entre sí con juntas de goma o teflón y se aprietan con tapas con lazos.
• Intercambiadores de calor de placas . Dichos intercambiadores de calor consisten en un conjunto de placas en las que se estampan superficies onduladas y canales para el flujo de fluido. Las placas están selladas con juntas de goma y lazos. Tal intercambiador de calor es fácil de fabricar, fácil de modificar (añadir o quitar placas), fácil de limpiar, tiene un alto coeficiente de transferencia de calor, pero no puede usarse a altas presiones.
• Intercambiador de placas y aletas . Un intercambiador de calor de este tipo, a diferencia de un intercambiador de calor de placas, consiste en un sistema de placas divisorias, entre las cuales hay superficies acanaladas, boquillas unidas a las placas mediante soldadura al vacío. Desde los lados, los canales están limitados por barras que soportan las placas y forman canales cerrados. Por lo tanto, el intercambiador de calor de placas con aletas se basa en una matriz de intercambio de calor completamente soldada, rígida y duradera, construida según el principio de nido de abeja y operable (incluso hecho de aleaciones de aluminio) hasta una presión de 100 atm. y más alto. En los intercambiadores de calor de placas y aletas, existe una gran cantidad de boquillas, lo que permite seleccionar la geometría de los canales desde el lado de cada uno de los flujos, realizando el diseño óptimo. Las principales ventajas de este tipo de intercambiadores de calor son la compacidad (hasta 4000 m²/m³) y la ligereza. Esto último está asegurado por el uso de un paquete de piezas de lámina delgada hechas de aleaciones ligeras de aluminio en la fabricación de la matriz de intercambio de calor.
• Intercambiadores de calor en espiral . El intercambiador de calor consta de dos canales en espiral enrollados de material enrollado alrededor de la pared divisoria central: el núcleo, los medios se mueven a través de los canales. Uno de los propósitos de los intercambiadores de calor en espiral es el calentamiento y enfriamiento de líquidos altamente viscosos.

Al elegir entre intercambiadores de calor de placas y de carcasa y tubos, se prefieren los intercambiadores de calor de placas, con un coeficiente de transferencia de calor de más de tres veces el de los tradicionales de carcasa y tubos. Al mismo tiempo, para resolver el mismo problema de calentar el medio, un intercambiador de calor de carcasa y tubos ocupará un área de 3 a 4 veces más grande que un intercambiador de calor de placas comparable en eficiencia o de 6 a 10 veces más grande que un intercambiador de calor helicoidal. intercambiador comparable en eficiencia [4] [5] . Al mismo tiempo, los intercambiadores de calor de placas externas, equipados con automatización, control y accesorios confiables , pueden reducir la cantidad de refrigerante utilizado para calentar el agua. Esto significa que los diámetros de las tuberías y las válvulas de cierre y control reducirán la carga en las bombas de la red y, en consecuencia, reducirán el consumo de electricidad. Recientemente comenzaron a aparecer los modernos intercambiadores de calor helicoidales domésticos , equipados con tubos perfilados de tal manera que el aumento de la resistencia hidráulica superó el aumento de la transferencia de calor debido al uso de turbuladores de flujo. Esto se logra moleteando ranuras anulares o helicoidales en la superficie exterior de la tubería, debido a cuya formación se forman protuberancias de pequeña altura delineadas suavemente en la superficie interna de la tubería, que intensifican la transferencia de calor en las tuberías. Esta tecnología, además de indicadores tan importantes como la alta fiabilidad (también en caso de golpe de ariete ) y el menor coste , otorga a los equipos de intercambio de calor domésticos ventajas adicionales frente a sus homólogos lamelares extranjeros. Un problema grave es la corrosión de los intercambiadores de calor. Para proteger contra la corrosión, se utiliza la pulverización térmica de placas de tubos, tuberías de sobrecalentadores. Esto no solo se aplica a los intercambiadores de calor de carcasa y tubos hechos de acero al carbono. Los intercambiadores de calor helicoidales [4] y las placas de los intercambiadores de calor de placas están hechos en su mayoría de acero resistente a la corrosión resistente al calor, pero a pesar de esto, también están sujetos a la corrosión por picaduras cuando se usan refrigerantes no inhibidos.

Notas

1. ↑ Equipo de intercambio de calor. . armoservis.ru _ Consultado el 22 de enero de 2021. Archivado desde el original el 28 de enero de 2021. (indefinido)
2. ↑ Tecnología de hielo bombeado
3. ↑ Baranenko A. V., Tsvetkov O. B., Laptev Yu. A., Khovalyg D. M. Intercambiadores de calor de minicanal en ingeniería de refrigeración.  // Revista científica NRU ITMO. Serie "Refrigeración y aire acondicionado". - San Petersburgo. : NRU ITMO , 2014. - Edición. 3 . — ISSN 2310-1148 . (Ruso)
4. ↑ 1 2 M. Nitsche y RO Gbadamosi. Guía de diseño de intercambiadores de calor. - Elsevier Inc., 2016. - ISBN 978-0-12-80-37-64-5 .
5. ↑ Seguridad energética en documentos y hechos No. 2, 2006 . Consultado el 25 de mayo de 2018. Archivado desde el original el 12 de enero de 2020. (indefinido)

Literatura

• Lukanin V. N., Ingeniería térmica, M., "Escuela superior", 2002.
• Kasatkin A. G., Procesos básicos y aparatos de tecnología química, "Química", M., 1971, 784 p.