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INTERCAMBIADOR DE CALOR Es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. La función básica de los intercambiadores es la transferencia de energía térmica entre dos o más fluidos a diferente temperatura. El calor fluye, como resultado del gradiente de temperatura, desde el fluido caliente hacia el frío a través de una pared de separación.

Clasificación de intercambiadores de calor según el servicio Enfriador: Es una unidad en la cual una corriente de proceso intercambia calor con agua o aire sin que ocurra cambio de fase. Calentador: Un calentador es un intercambiador de calor que aumenta la entalpía de una corriente, sin que normalmente ocurra un cambio de fase. Como fuente de calor se utiliza una corriente de servicio, la cual puede ser vapor de agua, aceite caliente, fluidos especiales para transferencia de calor ó una corriente de proceso de entalpía alta, por ejemplo la descarga de un reactor operado a temperaturas elevadas. Refrigerador: Es una unidad que utiliza una sustancia refrigerante para enfriar un fluido, hasta una temperatura menor que la obtenida si se utilizara aire o agua como medio de enfriamiento. Condensador: Es una unidad en la cual los vapores de proceso se convierten total o parcialmente en líquidos. Generalmente se utiliza agua o aire como medio de enfriamiento. El término condensador de superficie se refiere específicamente a aquellas unidades de carcaza y tubos que se utilizan para la condensación del vapor de desecho, proveniente de las máquinas y de las turbinas a vapor. Un condensador de contacto directo es una unidad en la cual el vapor es condensado mediante contacto con gotas de agua. Evaporador: Los evaporadores son intercambiadores diseñados específicamente para aumentar la concentración de las soluciones acuosas mediante la evaporación de una parte del agua.

Vaporizador: Es un intercambiador que convierte líquido a vapor. El término vaporizador se refiere normalmente a aquellas unidades que manejan líquidos diferentes al agua. Rehervidor: Es un vaporizador que suministra el calor latente de vaporización al fondo (generalmente) de una torre fraccionadora. Hay dos tipos generales de rehervidores, aquéllos que envían dos fases a la torre para separar el vapor del líquido y los que retornan vapor solamente. Los primeros pueden operar mediante circulación natural (comúnmente llamados termosifones) o circulación forzada Los termosifones son los tipos de rehervidores más comunes. Los termosifones horizontales donde la vaporización ocurre en el lado de la carcaza, son los más utilizados en la industria petrolera. En los del tipo vertical, la vaporización ocurre en el lado de los tubos y se utilizan preferiblemente en las industrias químicas. Generadores de vapor: Son un tipo especial de vaporizadores usados para producir vapor de agua. Como fuente de calor se utiliza generalmente el calor en exceso que no se requiere para el proceso; de allí que a estos rehervidores se les llame comúnmente “Calderas de recuperación de calor”. Al igual que los rehervidores, los generadores de vapor pueden ser del tipo Kettle, de circulación forzada o termosifones. Sobrecalentador: Un sobrecalentador calienta el vapor por encima de su temperatura de saturación. En Teoría, el diseño de todos estos equipos es parecido, sin embargo, los cálculos de los coeficientes de transferencia de calor difieren unos de otros. Por ejemplo, hay que considerar si existe o no cambio de fase, el régimen de flujo, si el fluido es multicomponente, etc. CLASIFICACIÓN De Acuerdo al Proceso de Transferencia

INTERCAMBIADOR CALOR DE CONTACTO DIRECTO: En este tipo de intercambiador, el calor es transferido por contacto directo entre dos corrientes en 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. INTERCAMBIADOR CALOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS O DOBLE TUBO

Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo son los más sencillos que existen. Estan constituidos por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el interior del tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos. Hay dos posibles configuraciones en cuanto a la dirección de los fluidos: a contracorriente y en paralelo. A contracorriente los dos fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos; en cambio en paralelo entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. A continuación se pueden ver dos imágenes con las dos posibles configuraciones de los fluidos dentro de los tubos.

Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo pueden ser lisos o aleteados. Se utilizan tubos aleteados cuando el coeficiente de transferencia de calor de uno de los fluidos es mucho menor que el otro. Como resultado el área exterior se amplia, siendo ésta más grande que el área interior. El tubo con aletas transversales representado a continuación, se utiliza cuando la dirección del fluido es perpendicular al tubo.

En cambio, cuando la dirección del flujo de los fluidos es paralela al eje de los tubos, el tubo es con aletas longitudinales:

Una aplicación de un intercambiador de doble tubo es el que se utiliza para enfriar o calentar una solución de un tanque encamisado y con serpentín.

VENTAJAS.   

Diseño: Es muy fácil realizar sus partes estándar para un posterior montaje. Montaje: Se puede ensamblar en cualquier taller de plomería. Costos: Proporciona superficies de transferencia de calor a bajo costo. DESVENTAJAS

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Transferencia: La principal desventaja es la pequeña superficie de transferencia de calor contenida en una horquilla simple. Fugas: Cuando se usa con un equipo de destilación se requiere gran número de horquillas y en cada horquilla existe la posibilidad de fugas debido a las conexiones. Espacio: Para los procesos industriales que requieren grandes superficies de transferencia de calo, se necesitan gran número de equipos, los que no se pueden acomodar en pequeños espacios. se recomienda el uso de tubos concéntricos para superficies pequeñas (100-200 ft2). Mantenimiento: El tiempo y gastos requeridos para desmontarlos y realizar limpiezas son prohibitivos, comparados con otros tipos de equipos. INTERCAMBIADOR CALOR DE CORAZA Y TUBOS Esta unidad consta de una envoltura cilíndrica denominada carcasa (coraza o casco) la cual envuelve a un conjunto de tubos denominado “haz” de tubos. Un fluido circula por el interior de los tubos (lado de los tubos), y otro por el exterior de los mismos (lado de la carcasa). El intercambiador de tubos y coraza (tubos y carcasa, tubos y casco), es hasta ahora, entre los equipos de transferencia de calor, el más comúnmente usado en la industria química.

El intercambiador de calor de coraza y tubos es el más utilizado en la industria. Está formado por una coraza y por multitud de tubos. Se clasifican por el número de veces que pasa el fluido por la coraza y por el número de veces que pasa el fluido por los tubos. En los intercambiadores de calor de paso múltiple se utiliza un número par de pasos en el lado del tubo y un paso o más por el lado de la coraza. Así por ejemplo el primer intercambiador que hay representado es 1-2, es decir, que el fluido circula una vez por la coraza y el que se encuentra en el interior de los tubos pasa dos veces. En la segunda imagen hay un intercambiador de calor de coraza y tubos 1-4, por donde circula el fluido caliente 4 veces por dentro de los tubos y el fluido frío 1 vez por la coraza. En la tercera imagen se ve un condensador, donde el vapor entra por la parte de la coraza y sale por la parte inferior en forma de líquido. El líquido frío, que normalmente es agua, entra por la parte inferior, por dentro de los tubos, y sale por la parte superior. A veces no condensa todo el vapor y se ha de realizar una purga de aire. Por último el tambor de una columna de destilación, donde se produce la evaporación de una parte del disolvente procedente de la columna de destilación que se encuentra en forma líquida. Esta evaporación es gracias al vapor de agua que circula por dentro de los tubos, que cede el calor de condensación al líquido. El líquido se evapora y el vapor de agua se condensa. El producto sale por la parte inferior del tambor. Siempre queda una mezcla de líquido y vapor de agua que es devuelto a la columna de destilación para poder separar sus componentes. El último es un evaporador.

Los tubos que van son colocados deflectora a continuación:

por dentro de la coraza mediante una placa perforada, representada

Estas placas deflectoras están puestas para generar un flujo cruzado y inducir una mezcla turbulenta en el fluido que va por la coraza, la cual cosa mejora el intercambio por convección. Los tubos pueden presentar diferentes distribuciones: - Ajuste cuadrado. Esta configuración permite una mejor limpieza de los tubos. También hace que haya una menor caída de presión en el lado de la coraza.

- Ajuste cuadrado girado. Las ventajas de esta distribución es la misma que el anterior.

- Ajuste triangular. Se consigue una mayor superficie de transferencia de calor que con el ajuste cuadrado no se consigue. Si la distancia de centro a centro de los tubos es muy pequeña, no se puede limpiar.

Las ventajas de este tipo de intercambiador son: 

Su configuración proporciona grandes áreas de transferencia en pequeños espacios.  Soportan altas presiones y altas temperaturas de operación.  Procedimientos de diseño y técnicas de fabricación bien establecidas. Aplicaciones de estos intercambiadores de calor La condensación de un vapor saturado emplea unidades 1-n en posición horizontal. Los intercambiadores verticales se emplean para producir condensación con subenfria- miento, o cuando se condensa vapor cuyo condensado es corrosivo. En una operación ebullición-vaporización de un sistema de destilación, se usan los “reboilers” o calderines. Estos equipos suministran calor al fondo de las columnas de destilación. Sus versiones más populares son el calderín y el termosifón. El intercambiador de coraza y tubos se usa más frecuentemente para líquidos y para altas presiones. También tiene aplicaciones en la farmacéutica. INTERCAMBIADOR CALOR DE PLACAS Un intercambiador de calor de placas consiste en una sucesión de láminas de metal armadas en un bastidor y conectadas de modo que entre la primera y la segunda placa circule un fluido, entre la segunda y la tercera otro, y así sucesivamente. Estas placas están separadas por juntas, fijadas en una coraza de acero. La circulación de estos fluidos puede tener diferentes configuraciones, en paralelo y contracorriente.

En la figura de debajo hay diferentes tipos de placas que se pueden encontrar en un intercambiador de calor de placas. Cada placa tiene canalizaciones diferentes de fluido que inducen a turbulencia. Si el fluido frío circula por la parte de delante de la placa, el fluido caliente lo hace por la parte de detrás.

Los intercambiadores de calor de placas son ideales para aplicaciones en las que los fluidos tienen una viscosidad relativamente baja y no contienen partículas. Además son una elección ideal donde existe un pequeño salto térmico entre la temperatura de salida del producto y la temperatura de entrada del servicio Aplicaciones típicas:    

Calentamiento Calentamiento de vapor Enfriamiento Recuperación de calor

SECTOR LÁCTEO: 

Recepción de leche: Enfriamiento de la leche cruda de 15 a 4ºC mediante ICP (intercambiador de calor de placas)

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Pasteurización—termización: El producto se trata hasta 75ºC en pasterizadores multietapa

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Tratamiento UHT: En estos ICP se alcanzan temperaturas de hasta 147ºC del producto

SECTOR CERVECERO: 

Enfriamiento de mosto mediante ICP para grandes volúmenes

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Pasteurización “flash” de la cerveza de barril

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Enfriadores de cerveza para envasado

SECTOR BEBIDAS Y REFRESCOS: 

Planta de jarabes: Enfriamiento y calentamiento mediante ICP

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Pasteurización de bebidas en ICP

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Enfriamiento de bebida terminada antes de envasado

SECTOR VINOS Y LICORES: 

Enfriamiento de mosto mediante ICP

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Pasteurización de vino a baja temperatura mediante ICP

SECTOR AZUCARERO: 

Tratamiento de los jarabes a altas temperaturas mediante ICP

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Equipos ICP auxiliares de enfriamiento y calentamiento de jarabe

INTERCAMBIADOR CALOR COMPACTO Los intercambiadores de calor compactos están diseñados para conseguir una gran área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen. En los intercambiadores compactos, los dos fluidos normalmente se mueven en direcciones ortogonales entre sí. Esta configuración del flujo recibe el nombre de flujo

cruzado. El flujo cruzado se clasifica en mezclado (uno de los dos fluidos fluye libremente en dirección ortogonal al otro sin restricciones) y no mezclado (se ponen unas placas para guiar el flujo de uno de los fluidos). Ejemplos de intercambiadores de calor compactos son los radiadores de los coches, los intercambiadores de calor de cerámica de vidrio de las turbinas de gas, el regenerador del motor Stirling y el pulmón humano.

Los intercambiadores compactos son de uso común en la transferencia de calor de gas hacia gas y de gas hacia líquido (o líquido hacia gas), para contrarrestar el bajo coeficiente de transferencia de calor asociado con el flujo de gases mediante una mayor área superficial.

INTERCAMBIADOR CALOR REGENERADORES En un regenerador, la transferencia de calor entre dos corrientes es transportada por el paso alternado de fluidos calientes y fríos a través de un lecho de sólidos, el cual tiene una apreciable capacidad de almacenamiento de calor. El fluido caliente proporciona calor a los sólidos que se calientan de forma gradual; pero antes de llegar al equilibrio los flujos son cambiados y entonces el fluido frío remueve el calor del lecho. En un tipo de regenerador se utilizan dos lechos idénticos, como en un sistema absorbedor-desorbedor. Un segundo tipo utiliza un lecho rotatorio con forma de una llanta gruesa, con el fluido frío que circula axialmente a través del sector (generalmente 180º) del lecho, mientras que el fluido caliente circula en una dirección contraria a través del otro sector. En regeneradores rotatorios, el lecho es frecuentemente una matriz de barras, pantallas o láminas corrugadas, hace que tenga una gran área de superficie, pero además, una alta fracción de vacíos y una caída de presión más baja que un lecho de partículas. Los regeneradores ofrecen la ventaja de una área de superficie grande por unidad de volumen y bajo coste comparado con los intercambiadores de coraza y tubos. Además, son fáciles de limpiar, y la coraza puede ser fácilmente reemplazada. El principal problema con las unidades rotatorias es que un poco de fluido se filtra debajo de las láminas deflectoras que separan los sectores calientes y fríos. Además, casi no

existe la mezcla de los corrientes debido a que alguno de los fluidos en los espacios vacíos es transportado a través de las láminas hacia otro sector. Para el aire precalentado con gases de combustión caliente, la ligera fuga de gases de combustión dentro del aire, y al revés, no es un grande problema. Los regeneradores rotatorios son ampliamente utilizados en plantas de energía eléctrica. También son utilizados en incineradoras, altos hornos y motores de turbina de gas. En general, los regeneradores son ideales para líquidos, debido a que la capacidad térmica del líquido en los poros podría ser comparable con la de la matriz sólida. La efectividad de un regenerador depende del número de unidades de transferencia de calor y del ciclo de tiempo. Para capacidades de flujos iguales y resistencias despreciables en el sólido, los coeficientes de película se combinan para obtener un coeficiente global efectivo U.

El número de unidades de transferencia se basa en el área de la superficie total de los dos lechos o de la rueda rotatoria.

Dónde:

INTERCAMBIADOR CALOR DE CONTACTO INDIRECTO: 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 frío, se denominan intercambiadores tipo transferencia indirecta, o tipo almacenador o sencillamente regenerador. La intermitencia en el flujo de calor es posible debido a que el paso de las corrientes tanto caliente como fría es alternado; como ejemplo pueden mencionarse algunos precalentadores de aire para hornos. Aquellos equipos en los que existe un flujo continuo de calor desde la corriente caliente hasta la fría, a través de una delgada pared divisora son llamados intercambiadores tipo transferencia directa o simplemente recuperadores; éstos son los más usados a nivel industrial. TORRES DE ENFRIAMIENTO Las torres de enfriamiento son un tipo de intercambiadores de calor que tienen como finalidad quitar el calor de una corriente de agua caliente, mediante aire seco y frío, que circula por la torre. El agua caliente puede caer en forma de lluvia y al intercambiar calor con el aire frío, vaporiza una parte de ella, eliminándose de la torre en forma de vapor de agua. Las torres de enfriamiento se clasifican según la forma de subministramiento de aire en: - Torres de circulación natural - Atmosféricas: El movimiento del aire depende del viento y del efecto aspirante de los aspersores. Se utiliza en pequeñas instalaciones. Depende de los vientos predominantes para el movimiento del aire. - Tiro natural: El flujo del aire necesario se obtiene como resultado de la diferencia de densidades, entre el aire más frío del exterior y húmedo del interior de la torre. Utilizan chimeneas de gran altura para obtener el tiro deseado. Debido a las grandes dimensiones de estas torres se utilizan flujos de agua de más de 200000gpm. Es muy utilizado en las centrales térmicas. A continuación se muestra el funcionamiento de una torre de enfriamiento con tiro natural:

- Tiro inducido: el aire se succiona a través de la torre mediante un ventilador situado en la parte superior de la torre. Son las más utilizadas. A continuación se muestra el funcionamiento de las torres de tiro inducido:

- Tiro forzado: el aire es forzado por un ventilador situado en la parte inferior de la torre y se descarga por la parte superior. A continuación se muestra el funcionamiento de las torres de tiro forzado:

También se puede encontrar intercambiadores de calor de contacto directo como lo son: Intercambiadores gas-sólido. Son de contacto directo gas-líquido sin almacenamiento de calor.

Intercambiador fluido-fluido sin almacenamiento de calor, en los que los dos fluidos en contacto son mutuamente inmiscibles

INTERCAMBIADORES POR INYECCION A VAPOR

Se inyecta cantidades precisas de vapor de una planta en el fluido del proceso (mezcla) que necesita ser calentada Los tipos de inyección de vapor tiene varias diferencias y algunas tienen limitaciones que los hacen adecuados para ciertas aplicaciones e inadecuados para otros. Modulación Externa: Este tipo de control de flujo de vapor varía la velocidad a la cual el vapor se inyecta en el líquido. Modulación Interna: La modulación interna elimina la necesidad de una válvula de control de vapor externa.

Ventajas: Generalmente requieren menos espacio que otros métodos de transferencia de calor. Desventajas: Si el fluido de proceso que se va a calentar es sensible y no puede tolerar esto, la inyección de vapor no puede utilizarse. Una limitación de los sistemas de inyección modulada internamente es que el diferencial entre la presión de vapor disponible y de la contra-presión a la salida del calentador debe mantenerse para asegurar el funcionamiento correcto de la unidad. La información general sobre el proceso y los requerimientos de calefacción son necesarios, junto con los datos sobre las características del líquido a calentar. Aplicaciones Vapor para Hidratación Algunas veces el vapor es usado para hidratar el proceso mientras se suministra calor al mismo tiempo. Planta UHT INTERCAMBIADOR CALOR DE INFUSIÓN DE VAPOR El producto cae en forma de película fina a un recipiente que contiene vapor a elevada presión (450KPa) , donde se alcanzan instantáneamente (0.3 seg) altas temperaturas de hasta 142ºC-146ºC, cuya retención es de 3seg. Luego se mezcla el producto fluido con el vapor que se secara posteriormente en un enfriador al vacío relativo donde se enfría a unos 65º C. El calentamiento por este sistema es ligeramente más rápido pero tiene el inconveniente de que en ocasiones la boquilla del recipiente se puede bloquear si el alimento deja mucho residuo. Se aplica en la esterilización y UHT de leche, de la siguiente forma, se atomiza leche por aspersión en un ambiente de vapor. ‰ Atomizando la leche en finas gotas e inyectando las gotas al vapor. ‰ Película laminar de caída libre: el producto resbala por la cámara como una película laminar delgada. La infusión de vapor se puede realizar en: Intercambiador de calor de placas. Intercambiador de calor tubular.