Intercambiadores de Calor
El objetivo de los intercambiadores de calor es llevar una corriente de fluido a una temperatura determinada, calentándola o refrigerándola mediante otra corriente de fluido. Los fluidos circulan separados por una superficie metálica o no.
Los factores principales son: Temperatura, estado del fluido (líquido o vapor), presión, caudales. Posibles causas de ensuciamiento del aparato: las incrustaciones de suciedad actúan como una resistencia al paso del calor. Acción corrosiva de los fluidos. Espacio disponible para la instalación del aparato.
El correcto funcionamiento del intercambiador
El correcto funcionamiento del intercambiador depende de las propiedades y temperaturas de los dos líquidos que se están utilizando. Además, para un funcionamiento óptimo, se deben considerar los siguientes puntos:
- Es crucial maximizar el área de contacto entre los líquidos caliente y frío para una transferencia eficiente de calor.
- Se debe garantizar un régimen de circulación de fluidos turbulento para mejorar la transferencia de calor.
- Los fluidos corrosivos que pueden causar obstrucciones no deben pasar por los tubos, a menos que estos se puedan limpiar fácilmente o que sea más económico reemplazarlos que reemplazar la carcasa.
- Se deben minimizar las pérdidas de calor hacia el entorno, por lo que el intercambiador debe estar correctamente aislado.
En cuanto a la limpieza
- Suciedad u obstrucciones: partículas sólidas que se transportan en los líquidos en suspensión o que se forman durante el proceso de calentamiento o enfriamiento.
- Incrustaciones: depósitos de sales cálcicas o magnésicas debido a la dureza del agua.
- Corrosión: en este caso, el propio metal del intercambiador se oxida, formando óxidos metálicos. Esta es la situación más complicada, ya que puede contaminar los líquidos, afectar la estructura del intercambiador y causar pérdidas o fugas en la carcasa o los tubos.
Tipos de Intercambiadores de Calor
Intercambiador de doble tubo o de tubos concéntricos
Intercambian calor entre un fluido frío y otro caliente. Uno de los fluidos circula por el tubo interior, mientras que el otro lo hace por el espacio anular entre los dos tubos, los flujos pueden ser en paralelo o en contracorriente. Intercambian calor a través de la pared que separa los dos fluidos. Este tipo de intercambiador de calor, de fácil construcción, se emplea solo para pequeños caudales.
Intercambiador de carcasa y tubos
Utilizado en la industria, consta de una carcasa y varios tubos que permiten un intercambio eficiente. Para promover la turbulencia necesaria en los fluidos, se emplean pantallas en la carcasa y se aumenta la velocidad en los tubos. Sin embargo, para evitar la pérdida de calor, se recurre a los intercambiadores multipas, clasificados según el número de veces que los fluidos pasan por la carcasa y los tubos.
Intercambiadores de calor de placas
Láminas de metal en un marco conectadas de manera que circule un fluido, de acero. Cada placa tiene canales que inducen turbulencia, evitando el contacto directo entre los fluidos, lo que maximiza la transferencia de calor. Este diseño sustituye las superficies tubulares por superficies planas con rugosidades, lo que facilita su desmontaje para limpieza, mejora la convección dentro de cada fluido y reduce las pérdidas de calor hacia el exterior. Aunque son compactos y eficientes, pueden ser costosos, y las juntas entre las placas pueden deteriorarse con el tiempo, causando problemas de sellado y pérdida de presión en los fluidos.
Intercambiadores de calor de grafito
No hay superficies metálicas de intercambio de calor; en su lugar, el fluido circula a través de agujeros en una masa de grafito prensado. Estos intercambiadores son costosos de fabricar y se utilizan principalmente cuando los fluidos que intercambian calor son altamente corrosivos y dañarían el acero. Tienen propiedades como alta resistencia a la corrosión, a los choques térmicos y a la temperatura, y ofrecen una resistencia mecánica certificada por organismos como TÜV. Se aplican en sectores como metalurgia, química y productos farmacéuticos, donde se requiere resistencia a productos corrosivos como ácido clorhídrico, ácido sulfúrico, ácido fluorhídrico y ácido nítrico, entre otros.
Calderas
Los sistemas para producir energía térmica pueden utilizar combustibles fósiles como gasoil o gas natural, como generadores de vapor.
Clasificación de Calderas
Según la posición relativa del fluido de trabajo y los gases calientes:
- Pirotubulares o humotubulares.
- Aquotubulares.
Según el fluido de trabajo:
- De vapor.
- De agua caliente.
- De aceite térmico.
Calderas de Vapor
Recuperan la calor de combustión generando vapor de agua a presiones superiores a la atmosférica, esto permite el aprovechamiento directo de la energía térmica o la generación de movimiento de máquinas.
Calderas de vapor pirotubulares
Las calderas de vapor pirotubulares son aquellas en las que los gases de combustión circulan a través de tubos totalmente sumergidos en agua. La transferencia de calor ocurre desde los gases hacia el agua a través de la pared del tubo, generando vapor que sale de la caldera. Para evitar la falta de refrigeración y el deterioro de los componentes de la caldera, se debe mantener un sistema de alimentación de agua que opere de forma continua o cuando se detecte un nivel mínimo de agua.
Estas calderas presentan ciertos problemas, como la limitación en tamaño debido a la resistencia de la carcasa, tensiones térmicas y el riesgo de explosiones debido a la combinación de los factores mencionados y la formación de incrustaciones.
Control y Mantenimiento de Calderas de Vapor
El control y mantenimiento de seguridad de las calderas de vapor se rigen por el Reglamento de aparatos a presión. Los elementos clave incluyen válvulas de seguridad, control de nivel, presostato de máxima, sistema de alimentación de agua con capacidad superior a la generación de vapor, mirilla de control de llama, sistema de control de presión, y diversos manómetros y termómetros. Estos dispositivos aseguran la detención del sistema en caso de detectar problemas como falta de nivel o exceso de presión.
Calderas de Agua Caliente
Las calderas de agua caliente no producen vaporización del agua. Se denominan calderas de agua caliente cuando las temperaturas del agua son inferiores a 100°C, y calderas de agua sobrecalentada cuando están por encima de los 100°C pero no hay vapor presente.
Las calderas de agua sobrecalentada suelen operar a temperaturas entre 140°C y 170°C, con presiones de saturación correspondientes de 3.7 y 8.1 bar respectivamente. Sus características y forma de operar las hacen casi idénticas a las de los fluidos térmicos.
Calderas de Aceite Térmico
Las calderas de aceite térmico aprovechan las características de fluidos portadores de calor distintos al agua, por lo que sus prestaciones están directamente relacionadas con las propiedades del fluido utilizado. El uso extendido del aceite térmico se debe a su capacidad para resistir altas temperaturas manteniéndose en estado líquido, sin generar presión.
Estas calderas están equipadas con uno o varios serpentines por los cuales circula el aceite térmico, y se debe garantizar la circulación continua del mismo a una velocidad adecuada.
Controles y Medidas de Seguridad
En cuanto a los controles y medidas de seguridad, al igual que en el caso de las calderas de vapor, están regulados por el Reglamento de Aparatos a Presión. Los principales elementos que debe incluir la caldera son:
- Control de circulación del aceite térmico.
- Válvulas de seccionamiento de caldera y bomba.
- Control de nivel de aceite en la instalación.
- Espejo de control de llama.
- Sistema de control de presión para regular el sistema de combustión.
- Depósito de expansión.
- Control de presión máxima.
- Termostato de máxima.
- Manómetros y termómetros.
Comparación entre Calderas de Vapor y Calderas de Aceite Térmico
- Las calderas de aceite térmico permiten trabajar a alta temperatura.
- El aceite térmico mantiene la temperatura a largas distancias debido a su alta inercia térmica.
- Ofrecen un control preciso de la temperatura de trabajo y operan a baja presión.
- Trabajan en circuito cerrado, eliminando pérdidas de temperatura y problemas de oxidación.
- No requieren alimentación de agua ni tratamiento previo.
- Tienen requisitos de seguridad menores y son más fáciles de operar.
- Se ponen en servicio rápidamente.
Agua para Calderas
El agua para calderas de alta presión debe ser purificada para evitar problemas como incrustaciones, eliminación de aceite para evitar depósitos y desaireación para eliminar gases corrosivos. Es importante recircular el agua para evitar problemas como incrustaciones, corrosión y formación de espuma.
Los problemas del agua de calderas pueden provocar fallas en los equipos, lo que lleva a un aumento en el uso de productos químicos para su tratamiento. Se realizan diversas pruebas químicas para controlar la acidez, alcalinidad, dureza, hidróxido, fosfato, sulfito, hierro y cobre en el agua de la caldera.
Tratamiento del Agua
El tratamiento del agua debe evitar la formación de incrustaciones, corrosión y formación de algas. En sistemas de recirculación, el tratamiento debe ser mayor ya que las impurezas se concentran con la evaporación. Se pueden agregar pequeñas cantidades de tensioactivos para prevenir incrustaciones y se pueden utilizar inhibidores de corrosión como cromatos o fosfatos.
Refrigeración
Los sistemas de refrigeración funcionan con el principio que ciertas sustancias, en evaporarse, absorben calor, bajando la temperatura del frigorífico. En condensarse, ceden calor al exterior. Existen dos tipos de sistemas: abiertos, donde los vapores de evaporación no se recuperan, y cerrados, donde los gases se recirculan para ser licuados y evaporados de nuevo.
Elementos de una Instalación Frigorífica
Evaporador
Es un recipiente cerrado con paredes metálicas donde el refrigerante líquido del compresor experimenta la ebullición, absorbiendo calor del refrigerador. Esta transferencia de calor hace bajar la temperatura del refrigerador. El refrigerante entra líquido a alta presión a través de la válvula de expansión, después pasa por un tubo capilar, bajando la presión y provocando la ebullición del líquido. A medida que avanza por el evaporador, el refrigerante se convierte en vapor, arrastrando gotas de líquido, hasta que al final solo resta vapor. La temperatura del vapor aumenta debido a la calor transferida del ambiente que se quiere enfriar.
Compresor
Actúa como una bomba que aspira el vapor refrigerante del evaporador a la presión de vaporización y lo comprime hasta la presión de condensación. Utiliza un émbolo para comprimir el vapor, produciendo calor y aumentando la temperatura del refrigerante, que ahora se encuentra sobrecalentado.
Condensador
Torna a licuar el vapor refrigerante procedente del compresor. Generalmente, está refrigerado por el aire del ambiente. Consiste en un tubo de cobre en espiral donde se produce una transferencia de calor del vapor al aire, provocando su condensación. En salir del condensador, el refrigerante se encuentra en estado líquido a alta presión.
Válvula de expansión o tubo capilar
Es un tubo capilar de cobre situado entre el condensador y el evaporador. Se encarga de hacer expandir el refrigerante, permitiéndole alcanzar la presión de vaporización. También regula el flujo del refrigerante líquido hacia el evaporador para compensar la cantidad evaporada. En salir de la válvula, el refrigerante se encuentra en estado líquido a baja presión. La temperatura de vaporización está relacionada con la presión, y el tubo capilar asegura que la ebullición del refrigerante se produzca en las condiciones adecuadas de presión y temperatura.
Fases del Proceso de Refrigeración
- A -> B: Compresión adiabática del fluido en el compresor, pasando del estado de vapor. El volumen disminuye de V1 a V2 y la presión aumenta de P1 a P2. La temperatura también aumenta. Se requiere una entrada de energía (W) para accionar el compresor.
- B -> C: Licuefacción o condensación del fluido en el condensador, a presión prácticamente constante. El volumen disminuye de V2 a V3, pasando de vapor saturado a líquido saturado. Se transfiere una cantidad de calor Q1 al foco caliente, mientras que la temperatura se mantiene constante (T1).
- C > D: Expansión adiabática del fluido en el expansor, con ligero aumento del volumen de V3 a V4 y una disminución de presión de P2 a P1. El expansor se alimenta del condensador a través de la válvula de expansión, que produce una evaporación parcial del líquido saturado
, cambiando a vapor.
- D -> A: Evaporación a presión prácticamente constante en el evaporador, con aumento del volumen de V4 a V1. Aquí el fluido refrigerante se transforma en vapor saturado. Se absorbe una cantidad de calor Q2 del foco frío, produciendo el enfriamiento. Una vez se recuperan las condiciones iniciales de presión (P1) y volumen (V1), el fluido puede iniciar de nuevo el ciclo. Este proceso se realiza a una temperatura casi constante (T2).
Red de Distribución del Frío
La red de distribución del frío incluye cañerías y equipos como el compresor y el evaporador. Es crucial seleccionar el diámetro adecuado de las cañerías y considerar las pérdidas de carga. El aislamiento es fundamental para mejorar la eficiencia energética del sistema de refrigeración, utilizando materiales como poliestireno expandido, espuma de poliuretano y otros, seleccionados según criterios técnicos y económicos.
Mantenimiento de Sistemas de Refrigeración
El mantenimiento de los sistemas de refrigeración requiere un conocimiento profundo de los equipos para detectar fallas y solucionarlas si es posible. Es importante seguir los manuales de mantenimiento de los fabricantes y realizar comprobaciones rutinarias de los parámetros como temperatura, presión y eléctricos. Se deben mantener limpio y ordenado el entorno de trabajo, asegurarse que los dispositivos de seguridad funcionen correctamente y evitar exposiciones prolongadas a ruidos excesivos. También hay que verificar regularmente la presencia de fugas de refrigerante.