En el campo de la industria se dan multitud de situaciones en las que ocurren transferencias de calor entre fluidos. Es decir, es necesario calentar o enfriar un fluido, mediante la intervención de otro fluido, sin que ambos se mezclen.
También puede plantearse la recuperación de calor de un fluido que previamente hemos calentado con motivo de la ejecución de un proceso. En estos casos, una vez concluido dicho proceso, disponemos de una cantidad de calor almacenada en el fluido que cualquier actuación técnicamente sensata nos indica que debemos recuperar, con el fin de ahorrar energía.
Para facilitar los intercambios de calor, se utilizan una serie de aparatos que nos permiten realizar la transferencia en condiciones aceptables, y se evitan otros efectos indeseables: oxidaciones, contaminaciones, etc.
Los intercambiadores de calor, también llamados cambiadores de calor, termocambiadores o termopermutadores, son aparatos diseñados y utilizados para transferir energía térmica entre dos fluidos.
Clasificación de los intercambiadores
Basándonos en los distintos aspectos que pueden considerarse en los intercambiadores (estructura, función que desempeñan, situación de los fluidos, tipo de fluidos que intervienen), se pueden realizar diferentes clasificaciones.
Una clasificación mas didáctica es aquella que se refiere a la estructura del intercambiador. Según esta, los fluidos permanecen constantemente separados por una pared, que puede ser cilíndrica o plana.
Intercambiadores de tubo liso.
Son los intercambiadores más sencillos que podemos encontrar. Constan de una pared tubular, que sirve para separar los dos fluidos, de modo 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 superficie de intercambio suficiente, la longitud de tubo que se requiere suele ser bastante grande, razón por la cual es necesario disponerlo en forma que sea manejable y ocupe el menor espacio posible.
Intercambiadores acomodados en zig-zag
Están constituidos por un tubo sencillo dispuesto en zig-zag plano, en una sola capa como el que se muestra en la figura.
Son pues, tramos de tubo recto, normalmente equidistantes, paralelos y de la misma longitud unidos por codos. Este intercambiador se utilizo en cámaras frigoríficas, como evaporador para enfriar el aire interior de las mismas. Como la transferencia de calor tenia lugar por conveccion natural, se necesitaba una enorme longitud de tubo colocado en las paredes y techo de la camara. Ahora ya no se utilizan con ese fin y han sido sustituidos por otros de conveccion forzada.
Intercambiadores de haces tubulares
Difiere del intercambiador de zigzag en que los tubos paralelos van soldados, por sus extremos, a otros, un poco mas gruesos denominados colectores.
Trabajan generalmente en inmersión y operan, bien como evaporadores de una maquina frigorífica, o como integrantes de un circuito secundario, ya sea para calentamiento o para refrigeración del fluido en el que se hayan sumergidos.
Aparte de los equipos metálicos tradicionales, existen en el mercado intercambiadores de haces tubulares fabricados con materiales sintéticos, inertes y flexibles.
Intercambiadores de serpentín
Es otra disposición de tubo liso similar a los anteriores que consiste en presentarlo enrollado en espiral, para evitar el empleo de codos y colectores.
El serpentín se introduce en el depósito cuyo líquido pretendemos enfriar o calentar, funcionando, como ya ha quedado expuesto para los otros casos. Integrado en una instalación frigorífica de la que forma parte como evaporador o como parte de un circuito auxiliar a través del que se bombea un líquido previamente enfriado en otro recipiente.
Si el serpentín en lugar de introducirse en el interior y funcionar sumergido, se colocase en el exterior del depósito, rodeando la pared del mismo, tendremos una variante del intercambiador anterior a lo que hoy se conoce como depósitos con camisa.
Intercambiadores de tubo con aletas
Para evitar el encarecimiento de un proyecto tratando de enfriar gases, mediante la utilización de tubos desnudos se idearon los intercambiadores de tubos con aletas, que están especialmente diseñados para mejorar el intercambio de calor entre dos fluidos, uno de los cuales, al menos, es un gas.
Están construidos utilizando tubos de cobre o acero dispuestos en serpentín plano acodados sobre las que se montan, perpendicularmente al eje, láminas muy finas de aluminio que se fijan a la superficie de los tubos.
Si el fluido que circula por el exterior, generalmente aire, es impulsado a través de los tubos mediante ventiladores conduce a resultados espectaculares en comparación con los proporcionados por el tubo liso.
Para facilitar el movimiento del aire y proteger el equipo, muchos de estos intercambiadores se presentan en una envolvente o armazón que a modo de caja, facilita la instalación y crea embocaduras para colocar los ventiladores.
Cuando los tubos van dispuestos en varios planos, se procura que la colocación sea al tresbolillo, de forma que el aire que circula entre dos tubos de la primera fila se encuentre con un tubo en la segunda.
Las aplicaciones de estos intercambiadores son muchas ocupando un lugar preferente en todo lo que se refiere al enfriamiento de aire. Así que podemos encontrarlos en acondicionamiento de aire, conservación de alimentos, etc.
Intercambiadores de doble tubo
Están construidos utilizando dos tubos, de diámetro diferente montados coaxialmente.
Los fluidos funcionan respectivamente, uno por el interior del tubo mas delgado y el otro por el espacio anular comprendido entre ambos. El movimiento de los fluidos tiene lugar, pues en direcciones paralelas, que pueden ser del mismo sentido (equicorriente) o sentido contrario (contracorriente).
Como ocurría con los intercambiadores de tubo sencillo, arbitrar soluciones que permitan obtener la superficie de intercambio necesaria, ocupando el menor espacio posible. Nacen así unas disposiciones que van desde el intercambiador recto, pasando por el acodado al enrollado en espiral.
Una modificación tecnológica introducida con éxito es la utilización de tubo corrugado, en vez del liso tradicional. La superficie ondulante de ambos tubos crea entrantes y salientes, que obligan a los fluidos a cambiar frecuentemente de dirección y a circular en régimen turbulento, lo que mejora sensiblemente el intercambio de energía.
Este tipo de intercambiadores encuentra su aplicación en para el tratamiento de líquidos que llevan sólidos en suspensión o viscosos, como, mousse, lácteos que incluyen trozos de fruta, mermelada, etc.
Intercambiadores Multitubulares
Los intercambiadores multibulares están construidos a base de un conjunto de tubos que van alojados en el interior de otro tubo mas grueso.
El tubo exterior recibe el nombre de casco o carcasa, por lo que a este tipo de intercambiadores se les denomina también intercambiador de tubo y carcasa o casco y tubos.
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 tienen funciones diferentes y reciben nombres también distintos. 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 mas delgados, al otro cabezal se le llama fondo.
Los fluidos circulan uno por el interior de los tubos y el otro por el espacio libre que queda entre los tubos y la carcasa.
Los fluidos pueden recorrer los componentes del intercambiador varias veces. Se denominan pasos de un intercambiador al número de sentidos en los que los fluidos recorren el intercambiador en forma sucesiva.
Hay que diferenciar si nos referimos al fluido que se desplaza por los tubos o por la carcasa. Por esta razón, se hablara de pasos por tubos y pasos por carcasa.
Los cambiadores multitubulares se presentan, en función de los pasos de los fluidos por la carcasa y los tubos, de la forma en que se recoge en los esquemas siguientes:
a) Cambiador de un paso por carcasa y uno por tubos
b) Cambiador de un paso por carcasa y dos por tubos
c) Cambiador de dos pasos por carcasa y cuatro por tubos
Un aspecto importante es la disposición de los tubos sobre las placas tubulares, las perforaciones sobre la placa, y por tanto la colocación de los tubos en la carcasa que adoptan generalmente disposiciones geométricas: triangular, cuadrada y rómbica.
En la disposición triangular se obtiene el mejor coeficiente de transmisión, ya que admite mayor superficie de tubos, para una misma carcasa por otra parte tiene el inconveniente de que la superficie de los tubos se limpia mal por medios mecánicos.
En la disposición cuadrada el número de tubos que entra manteniendo la distancia entre ejes, es menor que en la triangular y por tanto la superficie de intercambio también es menor. Por el contrario la limpieza se realiza mucho mejor con esta disposición.
El campo de aplicación de los intercambiadores multitubulares es amplísimo. Se pueden utilizar como evaporadores, condensadores enfriados por agua (incluso de mar), o como intercambiadores liquido-liquido para enfriamiento, calentamiento o recuperación de calor.
