Intercambiador de calor

Un intercambiador de calor, más raramente también un intercambiador de calor, es un componente con la ayuda del cual la energía térmica puede ser transferida de un medio a otro. La función de un intercambiador de calor se basa en la transferencia de calor entre medios de temperaturas diferentes: en un intercambiador de calor, un medio más caliente se enfría mientras libera calor, mientras que la temperatura de un medio más frío aumenta al absorber la energía térmica. Dado que el calor siempre pasa del medio más caliente al más frío y, por lo tanto, el calor se transfiere pero no se intercambia, un intercambiador de calor se denomina correctamente intercambiador de calor.

Según el uso previsto, un intercambiador de calor puede utilizarse tanto para el enfriamiento como para el calentamiento selectivo. Los intercambiadores de calor se utilizan generalmente con medios líquidos o gaseosos. Sin embargo, también hay variantes como los colectores terrestres, que también pueden absorber el calor de los sólidos, o los evaporadores en los que se produce un cambio de fase.

En cuanto al tipo de transferencia de calor, se puede distinguir entre transferencia de calor indirecta, directa, semidirecta y semidirecta. En relación con los intercambiadores de calor, se suele considerar en particular la transferencia indirecta. En este caso, dos medios fluyen a través de espacios separados que están conectados entre sí por una superficie de contacto común, la superficie de transferencia de calor. La cantidad de calor transferido depende del tamaño de la superficie de transferencia de calor, la diferencia de temperatura media entre los flujos de medios y un coeficiente de transferencia de calor del intercambiador de calor que refleje la calidad de la transferencia de calor. En los procesos directos, los flujos de los medios de comunicación entran en contacto directo entre sí. Este es el caso de las torres de refrigeración húmedas, por ejemplo. Además de estas dos variantes, los intercambiadores de calor también sirven como almacenes de energía a corto plazo en procesos semidirectos o semi-directos, a través de los cuales los dos medios fluyen uno tras otro. Sólo con el proceso indirecto es posible una estricta separación de los medios. En los procesos directos, los flujos de medios entran en contacto directo entre sí; en los procesos semidirectos o semindirectos, los flujos de medios individuales pueden contaminarse al menos con residuos en el intercambiador de calor.

Los intercambiadores de calor tienen numerosas variantes que pueden subdividirse según diversos criterios. Estos criterios incluyen, por ejemplo, el estado agregado de los flujos de medios, el rango de temperatura utilizable, el rango de rendimiento, los requisitos de seguridad para la transferencia de calor, la distinción entre el funcionamiento continuo y discontinuo, el patrón de flujo en el intercambiador de calor o su diseño.

Con respecto al patrón de flujo, se hace una distinción entre intercambiadores de calor de corriente directa, intercambiadores de calor de contracorriente e intercambiadores de calor de flujo cruzado. En los intercambiadores de calor de corriente continua, los flujos de medios corren paralelos en procesos directos y los puntos más calientes y más fríos de los flujos de medios están separados por la superficie del intercambiador de calor directamente opuestos entre sí. En los intercambiadores de calor a contracorriente los flujos también corren en paralelo, pero el punto más caliente del medio caliente y el punto más frío del medio frío están en los extremos opuestos del intercambiador de calor. Los intercambiadores de calor de flujo cruzado son una forma mixta en la que los flujos de medios son transversales entre sí (véase la figura 1).

En cuanto a los diseños, se pueden distinguir numerosas variantes:

• Los intercambiadores de calor de casco y tubo consisten en haces de tubos que se pasan a través de un recipiente. Un primer medio fluye dentro de los tubos y un segundo medio fluye a través del tanque. La superficie de los tubos sirve como superficie de transferencia de calor.
• Los intercambiadores de calor de placas consisten en varias placas soldadas, atornilladas o soldadas, que forman espacios separados entre ellas. Los espacios entre las placas sirven para guiar los medios, las placas sirven como superficie de transferencia.
• Los intercambiadores de calor de doble tubo consisten en dos tubos de diferentes diámetros insertados longitudinalmente entre sí. Un medio fluye en el tubo interior y un segundo medio fluye en el espacio entre los tubos interior y exterior; el calor se transfiere a través de la superficie del tubo interior.
• Los intercambiadores de calor con aletas se utilizan en particular para el intercambio de calor entre medios líquidos y gaseosos y consisten en tubos equipados con aletas. El medio líquido fluye dentro de los tubos mientras que el medio gaseoso fluye alrededor de ellos.
• Los intercambiadores de calor de tubo con aletas también se utilizan frecuentemente para medios líquidos y gaseosos y consisten en tubos equipados con aletas, a través de los cuales fluye el medio líquido y alrededor de los cuales fluye el medio gaseoso, de manera similar al intercambiador de calor con aletas.
• Los intercambiadores de calor de tubos de calor, también conocidos como tubos de calor, consisten en tubos evacuados sellados, que están parcialmente llenos de un líquido y que se extienden parcialmente en dos medios. En la parte inferior, que se encuentra en el medio más cálido, el líquido encerrado se evapora bajo la absorción de calor. Se eleva en el tubo y se condensa en el medio más frío, que fluye alrededor de la parte superior del tubo, liberando calor.
• Los intercambiadores de calor espirales consisten en láminas de metal enrolladas en espiral alrededor de un núcleo. Se forman dos canales de flujo entre las bobinas de las hojas, a través de los cuales se pasa el medio.
• Los intercambiadores de calor rotativos consisten en una rueda giratoria, el regenerador, la mitad del cual es atravesado por dos medios gaseosos separados. En el área del flujo del medio caliente, el regenerador absorbe y almacena energía térmica. A medida que el regenerador gira continuamente, su parte calentada entra en el flujo del medio más frío en el curso de la rotación y libera de nuevo la energía almacenada. Por lo tanto, se trata de una transferencia de calor semidirecta.
• Los intercambiadores de calor regenerativos son también un método semidirecto de transferencia de calor, pero a diferencia de los intercambiadores rotativos se basan en una masa de almacenamiento de calor estacionario y, a diferencia de los intercambiadores de calor mencionados anteriormente, funcionan de forma discontinua. La masa de almacenamiento se pasa primero por un medio caliente y se calienta en el proceso. Luego un medio más frío fluye a través de la masa de almacenamiento y absorbe el calor almacenado allí. Los intercambiadores de calor regenerativos están entre los más grandes. Se utilizan, por ejemplo, en la producción de acero como altos calentadores para el alto horno.
• Los precalentadores de aire de combustión no son tanto un diseño como una clase de aplicación especial de los intercambiadores de calor utilizados para precalentar el aire de combustión utilizando el calor residual en los gases de escape de la combustión. Los dos tipos principales de precalentadores de aire de combustión son los quemadores de recuperación y los quemadores regenerativos. Con el quemador de recuperación, los gases de escape se conducen a través de los conductos de aire de suministro del quemador para utilizar los gases de escape calientes directamente para calentar el aire de combustión suministrado. Los quemadores regenerativos tienen dos acumuladores de calor regenerativo que se cargan alternativamente con gases de escape de combustión caliente o con aire de suministro más frío.

Los ámbitos de aplicación de los intercambiadores de calor son extremadamente diversos, ya que siempre se utilizan cuando hay que transferir calor entre diferentes medios. Este es el caso, por ejemplo, en los procesos de las centrales eléctricas, en la climatización de edificios o en los procesos industriales. Los intercambiadores de calor también desempeñan un papel importante en relación con la recuperación de calor residual.

Sinónimos:

Intercambiador de calor, Intercambiador de calor

Traducción(es) al inglés:

heat exchanger