Intercambiadores de calor. Cómo funcionan

¿Qué es un intercambiador de calor?

Los intercambiadores de calor son uno de los equipos de mayor uso en la industria. Son básicos en las instalaciones de refrigeración, calefacción, aire acondicionado y de regulación de la temperatura, puesto que están presentes en todas las instalaciones más comunes y polivalentes. Es por esto por lo que, pese a que su funcionamiento es muy sencillo (se basa en la termodinámica y en el intercambio de calor entre dos fluidos), están presentes en una gran variedad de industrias, lo que ha provocado que exista un amplio abanico de intercambiadores con diferentes características. En este artículo, por consiguiente, explicaremos que es un intercambiador de calor, el funcionamiento del intercambiador de calor y sus principales usos. Además, mencionaremos los tipos de intercambiadores de calor más conocidos, aunque, si quieres una explicación más detallada, te dejamos aquí el enlace al artículo que hemos hecho para ampliar esta información.

Empezamos, por lo tanto, explicando que es un intercambiador de calor y como funciona.

A grandes rasgos, un intercambiador de calor es un aparato pensado para que dos fluidos a temperatura distinta entren en contacto, directa o indirectamente, con el fin de que se produzca una transferencia de calor entre ambos. Estos dispositivos son clave en sistemas más complejos como equipos de aire acondicionado, de HVAC, de refrigeración, de procesamiento e, incluso, en máquinas muy presentes en nuestra vida cotidiana tales como ordenadores, frigoríficos y coches.

No obstante, ¿cómo es exactamente el funcionamiento del intercambiador de calor? Pues, como veremos a continuación, esto depende específicamente de los tipos de intercambiadores de calor de los que hablemos, pero, en el fondo, todo se reduce a un principio fundamental de la física: la termodinámica.

FUNCIONAMIENTO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR

El llamado principio cero de la termodinámica es el que explica el funcionamiento del intercambiador de calor. Según este, cuando dos objetos (en nuestro caso, fluidos) a distinta temperatura entran en contacto, se produce una transferencia de calor entre ambos hasta que se llega al equilibrio térmico, es decir, hasta que sus temperaturas se igualan. Esto es perfectamente consecuente con la ley de la conservación de la energía, puesto que el flujo de calor también es una transferencia de energía y, por tanto, no es que el calor desaparezca, sino que fluye hacia el elemento con menor temperatura.

En concreto, los intercambiadores de calor (en su gran mayoría) fuerzan 3 transferencias de calor.

• Convectiva: el fluido caliente transmite su calor a la pared interna del tubo o de la placa.
• Conductiva: la que se produce a través de la propia placa o tubo.
• Convectiva: en este caso, el calor se transmite desde la parte externa del tubo o placa al fluido con menor temperatura.

De este modo, en estos aparatos el fluido a mayor temperatura va cediendo calor según va recorriendo el dispositivo. Esto implica que en cada momento el coeficiente de transferencia de calor por convección es diferente y, consecuentemente, también varía el coeficiente global de transmisión de calor. Para calcular el calor que se transmite o la temperatura final de los fluidos se aplica el método NUT. Al representar la curva de distribución de temperaturas en una gráfica, el eje X indica la longitud del intercambiador y el Y, la temperatura, siendo el resultado una curva logarítmica.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Estos son los pilares del funcionamiento teórico de un intercambiador de calor; sin embargo, en la práctica esto se aplica de diferentes maneras según el uso específico que se le quiera dar. Así, podemos distinguir varios tipos de intercambiadores de calor según la perspectiva utilizada.

Contacto entre fluidos:

1. Intercambiadores de contacto directo. Los fluidos se mezclan, por lo que se pueden contaminar. El ejemplo prototípico de este tipo son las torres de refrigeración.
2. Intercambiadores de contacto indirecto. Los fluidos no se mezclan, puesto que están separados por la pared de un tubo o por otra superficie. En estos, los intercambios de calor se producen en 3 fases: convección, conducción y, de nuevo, convección.

Dirección de los fluidos:

1. Paralelo. El fluido caliente y el frío fluyen en la misma dirección y en el mismo sentido.
2. Contraflujo. Los fluidos se desplazan en la misma dirección, pero en sentidos contrarios, por lo que entran al intercambiador por extremos opuestos.
3. Cruzado. Los fluidos recorren el intercambiador de forma perpendicular con respecto al otro. No se tocan, puesto que uno pasa a través del tubo y el otro lo rodea.

Según cuantas veces se intercambia calor:

1. Paso simple. Solo se intercambia calor en una ocasión.
2. Múltiples pasos. Hay más de un punto de intercambio.

Según su estructura

Tal y como mencionamos, se debe diseñar el intercambiador de calor de acuerdo con las necesidades de cada instalación, por lo que existen múltiples configuraciones. En cuanto a la estructura se refiere, los de placas y tubos con carcasa son los más comunes.

En el siguiente artículo explicaremos más pormenorizadamente esta clasificación, pero, a modo de resumen, los más conocidos son los intercambiadores de placas, los de haz de tubos y carcasa, los refrigerados por aire y los de tubos concéntricos.

USO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR EN LA INDUSTRIA

El uso de intercambiadores de calor en la industria abarca un espectro sumamente amplio de actividades. Aunque es verdad que el uso más habitual es elevar o bajar la temperatura de un fluido, los intercambiadores también sirven, por ejemplo, para condensar gases y para conseguir que otro fluido llegue al punto de ebullición. Según la función, el intercambiador de calor recibe un nombre u otro.

1. Aire Acondicionado (Evaporador/Condensador): Como es posible deducir a partir de la explicación del funcionamiento de los sistemas de aire acondicionado, tanto la unidad evaporadora como la condensadora son, en realidad, intercambiadores, puesto que utilizan un líquido refrigerante para transferir calor.
2. Precalentador: En algunas industrias es necesario contar con un suministro de fluidos (sea vapor u otro) a muy altas temperaturas. Si este calentamiento se produjese de golpe, podría suponer un choque térmico demasiado potente para los componentes de la instalación o, incluso, podría alterar las propiedades fisicoquímicas del fluido. Es por esto por lo que se suele llevar a cabo un precalentado por etapas.
3. Condensadores de vapor: Consisten en un espacio cerrado en el que se fuerza al vapor que sale de la turbina a transferir el calor latente de la vaporización. Así, se convierte el vapor en agua para que pueda servir como agua de alimentación, lo que reduce los costes de la planta. Además, el agua se puede bombear más fácilmente que el vapor y también se incrementa la eficiencia del ciclo, ya que se permite que el ciclo opere, entre la fuente y el sumidero de calor, con los gradientes de presión y de temperatura más altos posible. De este modo, se condensa el vapor del extractor de la turbina, lo que provoca una caída de la presión, generando más calor por unidad de masa de vapor.
4. Radiador: El ejemplo más claro de radiador lo tenemos en los coches. El motor, debido a su acción, genera mucho calor, por lo que se utiliza un circuito con refrigerante para enfriarlo y, posteriormente, el radiador se encarga de bajar la temperatura de este líquido refrigerante gracias a una serie de tubos que utilizan el aire frío del ambiente para tal fin. A diferencia de otros intercambiadores, los radiadores utilizan una serie de aletas situadas en el exterior de los tubos, porque el aire es un mal conductor del calor y, por consiguiente, es necesario ampliar la superficie de intercambio.

Estos aparatos, por otra parte, tienen una serie de funciones más concretas en las diferentes industrias.

INTERCAMBIADORES DE CALOR EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA

Los intercambiadores de calor en la industria alimentaria son vitales para la obtención de productos agroalimentarios de calidad y, más concretamente, para los procedimientos que permiten garantizar la seguridad alimentaria, como la esterilización y la pasteurización. En el caso de la esterilización, el objetivo principal es la eliminación de cualquier tipo de microrganismo. Para ello, se necesitan los siguientes elementos: un suministro continuo de aire, de agua y vapor, que son los que surten los circuitos de la instalación; un circuito de calentamiento cerrado de agua, que está formado por intercambiadores tubulares; y un circuito de enfriamiento, que también usa intercambiadores tubulares.

INTERCAMBIADORES DE CALOR EN LA INDUSTRIA FARMACEUTICA

Los intercambiadores en la industria farmaceutica se utilizan, por ejemplo, para calentar el agua utilizada en la producción de inyectables líquidos. En este proceso, el agua alcanza una temperatura de 85 ⁰C para evitar la proliferación de microrganismos.

INTERCAMBIADORES DE CALOR EN LA INDUSTRIA QUIMICA Y PETROQUIMICA

Industria química y petroquímica: cada proceso presenta unas particularidades técnicas específicas, y más teniendo en cuenta la naturaleza corrosiva de muchos de los productos utilizados en esta industria. Los intercambiadores juegan un papel protagonista en muchas de las actividades de estas empresas: fermentación, destilación, extracción, triturado, rectificación, calentamiento de gas natural / combustibles / asfalto, enfriamiento de aceite de turbina, enfriamiento de aguas de lavado, etc.

Por tanto, y a modo de resumen, un intercambiador de calor es un equipo de intercambio térmico con el que la regulación de la temperatura resulta muy sencilla, pero cuyas aplicaciones en las diferentes industrias lo hacen indispensable. Como hemos visto, su polivalencia se debe, en gran medida, a la existencia de un amplio abanico de intercambiadores con distintas características, lo que los convierte en uno de los MVP del mundo de la industria, en general, y de la refrigeración, en particular.