Clasificación y características generales

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Zig-Zag

a) De tubo liso Haces tubulares

Serpentín

b) De tubo con aletas

1. Intercambiadores de tubos Sencillo c) De doble tubo

Corrugado

d) Multitubulares

a) Placas selladas

2. Intercambiadores de placas

b) Placas soldadas

- Regeneradores

Los regeneradores son intercambiadores en los que un fluido caliente fluye a través del mismo espacio seguido de uno frío en forma alterna, con tan poca mezcla física como sea posible entre las dos corrientes.

La superficie, que alternativamente recibe y luego libera la energía térmica, es muy importante en este dispositivo.

Las propiedades del material superficial, junto con las propiedades de flujo y de los fluidos, y con la geometría del sistema, son las principales características que determinan el diseño y el funcionamiento de los regeneradores.

- Intercambiadores de tubo liso

Este tipo de intercambiadores son los más sencillos ya que constan únicamente de una pared tubular que sirve para separar los dos fluidos, de forma que uno de ellos circula por el interior del tubo y el otro entra en contacto con la superficie exterior del mismo.

Con objeto de lograr una superficie de intercambio suficiente, la longitud de tubo que se requiere suele ser bastante grande, razón por la cual es necesario disponerlo de forma que sea manejable y ocupe el menor espacio posible. Dentro de este tipo de intercambiadores se incluyen los de tipo sencillo dispuestos en zig-zag (Fig. 21) o en

varias capas, en las que se repite dicha disposición en el espacio. Este tipo de intercambiadores se siguen utilizando en pequeños congeladores domésticos.

Una variante de intercambiador de tubo liso son los intercambiadores de haces tubulares en los que los tubos paralelos van soldados en sus extremos a unos colectores de diámetro mayor.

Figura 21. Intercambiador de tubo liso.

- Intercambiadores de serpentín

Estos intercambiadores están constituidos por tubos lisos dispuestos arrollados en espiral, evitando así el empleo de codos y colectores. Son muy utilizados para calentar o enfriar líquidos que se almacenan en depósitos cilíndricos dentro de los que se introduce el intercambiador (Fig. 22).

Figura 22. Intercambiador de serpentín sumergido.

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- Intercambiadores de tubo con aletas

Estos intercambiadores están construidos mediante tubos de cobre o acero dispuestos en serpentín plano, acodados, de una o varias capas, sobre las que se montan, perpendicularmente al eje, láminas muy finas de aluminio que se fijan a la superficie de los tubos. La separación entre láminas depende de las aplicaciones y de los fabricantes y puede oscilar entre 3 mm, para la más próximas, hasta 18 mm.

La instalación de las aletas aumenta enormemente la superficie propia del tubo, lo que mejora mucho el intercambio térmico (Fig. 23).

Figura 23. Intercambiador de tubos con aletas.

- Intercambiadores de doble tubo

Es el intercambiador más sencillo, constituido por dos tubos de diferente diámetro montados coaxialmente, de forma que por el tubo interno circula uno de los fluidos, mientras que el otro fluido circula por el espacio anular.

El movimiento de los fluidos tiene lugar, pues, en direcciones paralelas, que pueden ser del mismo sentido o de sentido contrario. En el primer caso se denomina flujo paralelo o equicorriente (Fig. 24a) y en el segundo se habla de flujo contracorriente (Fig.

24b).

Figura 24. Intercambiadores de doble tubo: a) Flujo paralelo; b) Flujo en contracorriente.

a) b)

- Intercambiadores multitubulares

Los intercambiadores multitubulares están constituidos por un conjunto de tubos que van alojados en el interior de otro más grueso (Fig. 25). El tubo exterior recibe los nombres de casco o carcasa. Es el intercambiador más ampliamente usado en la industria.

Se denominan pasos de un intercambiador al número de sentidos en los que los fluidos recorren el intercambiador de forma sucesiva. Es corriente encontrar intercambiadores de calor de 2, 4, 8, etc. pasos de tubos. De la misma manera existe la posibilidad de que tengan varios pasos de carcasa.

Figura 25. Intercambiadores de coraza y tubos (Marca API Heat Transfer Inc., serie Basco Tipo 500).

Los tubos interiores se colocan según disposiciones geométricas fijas y, para mantenerlas, van soldados por sus extremos a las placas tubulares.

Figura 26. Intercambiador de coraza y tubos.

Entrada tubo Entrada

coraza

Salida coraza Salida

tubo Deflectores

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Deflectores Tubos

Cabezal

Carcasa

Para construir un equipo estanco y obligar a los fluidos a circular en la dirección y sentido convenientes, la parte anterior y posterior de la carcasa van cerradas, quedando limitadas por dos piezas llamadas cabezales. Los dos cabezales tiene funciones diferentes y reciben nombres también distintos (Figs. 7 y 8). Uno de ellos es el distribuidor o cabezal anterior, por el que el fluido accede al cambiador, obligándolo a circular por el interior de los tubos más delgados, al otro cabezal trasero, se le denomina fondo.

Los fluidos circulan, sin mezclarse, a lo largo del cambiador, uno por el interior de los tubos y el otro por el espacio libre que queda entre la carcasa y la superficie de dichos tubos (Fig. 26).

Figura 27. Elementos en un intercambiador de coraza y tubos (Marca API Heat Transfer Inc., modelo BW).

En el interior de la carcasa, a intervalos regulares, se sitúan deflectores, tabiques o pantallas, que ayudan a mantener los tubos en su posición y, además, obligan al fluido que circula por ese espacio a describir un movimiento ondulante a lo largo del recorrido (Figs. 26, 27 y 28).

Figura 28. Elementos en un intercambiador multitubular con tubos en U (Marca API Heat Transfer Inc., modelo BW).

Deflectores

Tubos

Cabezal

Carcasa

- Intercambiadores de placas con juntas

Este tipo de intercambiadores están constituidos por un conjunto de placas estampadas corrugadas, motadas sobre un bastidor común, y comprimidas entre sí, formado un bloque. Normalmente las placas constituyen una única pared maciza mojada por los dos fluidos por cada una de sus caras (Fig. 29).

Figura 29. Esquema del movimiento de los fluidos en un intercambiador de placas (Marca TRANTER).

En algunos casos se pueden situar dos placas soldadas al nivel de los orificios. Así cada circuito en el intercambiador es separado mediante dos placas, de forma que en caso de perforación de una placa existe una segunda como elemento de seguridad. Si se produce una fuga de uno de los fluidos será expulsada hacia el exterior del intercambiador de forma que se puede detectar la pérdida sin peligro de contaminación del circuito del otro fluido (Fig. 30).

Figura 30. Placas intercambiadoras con doble separación (Marca TRANTER).

Juntas

Fluido 1

Fluido 2 Doble separación

Placas y juntas

Juntas

Armazón fijo

Armazón móvil Soporte móvil

Guía inferior

Guía superior

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a)

b)

Figura 31. Diferentes intercambiadores de placas y juntas (a) y detalle de las placas (b) (Marca TRANTER).

Otro tipo de intercambiadores de placas con juntas son los de gran separación (Fig.

32), concebidos especialmente para dejar pasar fluidos cargados en partículas o en fibras. La separación entre dos placas puede llegar a ser de hasta 12 mm.

Figura 32. Placas intercambiadoras con gran separación (Marca TRANTER, Modelo GF).

Ancha-estrecha

Media-media

Flujo a través de las láminas Flujo a través de los tubos

Deflectores

- Intercambiadores de placas soldadas

Este tipo de placas están adaptadas a altas temperaturas y elevadas presiones ya que carecen de juntas (Fig. 33).

Figura 33. Intercambiador de flujo cruzado con los dos fluidos sin mezclar.

En este caso cada circuito está completamente aislado por lo que se reduce el riesgo de mezcla (Fig. 34).

Figura 34. Intercambiador de placas selladas de uno (a) y dos pasos (b).

Un tipo de intercambiadores mixto lo constituyen los de placas semi-soldadas que permiten utilizar en uno de los circuitos un fluido incompatible con las juntas. Estos intercambiadores, una vez cerrados tienen un circuito totalmente aislado y otro unido mediante juntas. El relieve de las placas puede ser simétrico o asimétrico en función de las necesidades (Fig. 35).

Figura 35. Placas intercambiadoras semisoldadas (Marca TRANTER, Modelo GW).

Agua Amoniaco

Juntas Soldaduras

a) b)

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x

y

T= f(x,y) Flujo cruzado

T= f(x) Flujo cruzado

a)

- Intercambiadores de flujo cruzado

En este tipo de intercambiadores los fluidos pueden moverse alternativamente en flujo cruzado, perpendicular uno al otro. Los intercambiadores en flujo cruzado se utilizan comúnmente en procesos de enfriamiento o calentamiento de aire o gas.

Existen dos configuraciones que se diferencian en función de si el fluido que se mueve sobre los tubos está mezclado o sin mezclar (Fig. 36). Un fluido se dice que esta sin mezclar debido a que las aletas previenen el movimiento en la dirección (y) que es la dirección transversal a la dirección del flujo principal (x). En este caso la temperatura del fluido varia con x y con y.

Figura 36. Intercambiador de flujo cruzado.

En el intercambiador con aletas, dado que el flujo dentro de los tubos esta sin mezclar, se dice que ambos fluidos están sin mezclar (Fig. 36a). En el intercambiador de haces de tubos sin aletas (Fig. 36b), el movimiento del fluido, se dice que esta mezclado ya que la temperatura no cambia en la dirección transversal, siendo función exclusiva de la dirección del flujo principal. En este intercambiador sin aletas un fluido está mezclado y el otro sin mezclar. Es importante destacar que la condición de mezclado y sin mezclar del intercambiador influye significativamente el funcionamiento del intercambiador de calor.

- Intercambiadores compactos.

Son intercambiadores de calor con una relación superficie a volumen,

β

=A/V superior a 700 [m²·m^–3], yse denominan intercambiadores de calor compactos, debido a su pequeño tamaño y peso (Fig. 37). Estos intercambiadores son ampliamente utilizados en la industria automotriz, industria aéreo-espacial y en sistemas marinos.

Un intercambiador multitubular típico con tubos de 25.4 mm de diámetro, el cual es comúnmente utilizado en los condensadores de las plantas de generación de potencia, posee un valor de

β

=130 [m^–2·m^–3]. Por otra parte, los radiadores de los automóviles con 5.5 aletas/cm (14 aletas/pulgada) se califican como intercambiadores de calor compactos dado que poseen

β

=1100 [m^–2·m^–3].

Figura 37. Intercambiadores compactos.

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