Un intercambiador de calor de placas es un tipo de intercambiador de calor que utiliza placas de metal para transferir calor entre dos fluidos . Esto tiene una gran ventaja sobre un intercambiador de calor convencional en que los fluidos están expuestos a un área de superficie mucho mayor porque los fluidos se esparcen sobre las placas. Esto facilita la transferencia de calor y aumenta en gran medida la velocidad del cambio de temperatura . Los intercambiadores de calor de placas son ahora comunes y se utilizan versiones muy pequeñas soldadas en las secciones de agua caliente de millones de calderas combinadas.. La alta eficiencia de transferencia de calor para un tamaño físico tan pequeño ha aumentado el caudal de agua caliente sanitaria (ACS) de las calderas combinadas. El intercambiador de calor de placas pequeñas ha tenido un gran impacto en la calefacción y el agua caliente doméstica. Las versiones comerciales más grandes utilizan juntas entre las placas, mientras que las versiones más pequeñas tienden a soldarse.
El concepto detrás de un intercambiador de calor es el uso de tuberías u otros recipientes de contención para calentar o enfriar un fluido transfiriendo calor entre él y otro fluido. En la mayoría de los casos, el intercambiador consta de una tubería en espiral que contiene un fluido que pasa a través de una cámara que contiene otro fluido. Las paredes de la tubería suelen estar hechas de metal u otra sustancia con alta conductividad térmica , para facilitar el intercambio, mientras que la carcasa exterior de la cámara más grande está hecha de plástico o recubierta con aislamiento térmico , para evitar que el calor se escape. el intercambiador.
El intercambiador de calor de placas (PHE) fue inventado por el Dr. Richard Seligman en 1923 y revolucionó los métodos de calentamiento y enfriamiento indirecto de fluidos. [1] El Dr. Richard Seligman fundó APV en 1910 como Aluminium Plant & Vessel Company Limited, una empresa de fabricación especializada que suministra recipientes soldados a las industrias cervecera y de aceite vegetal.
Diseño de intercambiadores de calor de placas y bastidores
El intercambiador de calor de placas (PHE) es un diseño especializado muy adecuado para transferir calor entre fluidos de presión media y baja. Los intercambiadores de calor soldados, semisoldados y soldados se utilizan para el intercambio de calor entre fluidos a alta presión o cuando se requiere un producto más compacto. En lugar de un tubo que pasa a través de una cámara, hay dos cámaras alternas, generalmente delgadas en profundidad, separadas en su superficie más grande por una placa de metal corrugado. Las placas utilizadas en un intercambiador de calor de placas y marcos se obtienen mediante el prensado de placas metálicas en una sola pieza. El acero inoxidable es un metal de uso común para las placas debido a su capacidad para soportar altas temperaturas, su fuerza y su resistencia a la corrosión.
Las placas a menudo están separadas por juntas de sellado de goma que están cementadas en una sección alrededor del borde de las placas. Las placas se presionan para formar canales en ángulo recto con la dirección de flujo del líquido que corre a través de los canales en el intercambiador de calor. Estos canales están dispuestos de modo que se entrelacen con las otras placas que forman el canal con espacios de 1,3 a 1,5 mm entre las placas. Las placas se comprimen juntas en un marco rígido para formar una disposición de canales de flujo paralelos con fluidos fríos y calientes alternados. Las placas producen una superficie extremadamente grande, lo que permite la transferencia más rápida posible. Hacer que cada cámara sea más delgada asegura que la mayor parte del volumen del líquido entre en contacto con la placa, ayudando nuevamente al intercambio. Los canales también crean y mantienen un flujo turbulento en el líquido para maximizar la transferencia de calor en el intercambiador. Se puede obtener un alto grado de turbulencia a velocidades de flujo bajas y, entonces, se puede lograr un alto coeficiente de transferencia de calor.
En comparación con los intercambiadores de calor de carcasa y tubos, el enfoque de temperatura en un intercambiador de calor de placas puede ser tan bajo como 1 ° C, mientras que los intercambiadores de calor de carcasa y tubos requieren una aproximación de 5 ° C o más. Para la misma cantidad de calor intercambiado, el tamaño del intercambiador de calor de placas es menor, debido a la gran área de transferencia de calor que ofrecen las placas (la gran área a través de la cual puede viajar el calor). El aumento y la reducción del área de transferencia de calor es simple en un intercambiador de calor de placas, mediante la adición o eliminación de placas de la pila.
Evaluación de intercambiadores de calor de placas
Todos los intercambiadores de calor de placas tienen un aspecto similar en el exterior. La diferencia radica en el interior, en los detalles del diseño de la placa y las tecnologías de sellado utilizadas. Por lo tanto, al evaluar un intercambiador de calor de placas, es muy importante no solo explorar los detalles del producto que se está suministrando, sino también analizar el nivel de investigación y desarrollo realizado por el fabricante y el servicio posterior a la puesta en servicio y la disponibilidad de repuestos.
Un aspecto importante a tener en cuenta al evaluar un intercambiador de calor son las formas de ondulación dentro del intercambiador de calor. Hay dos tipos: corrugaciones entrelazadas y de chevron . En general, se produce una mayor mejora de la transferencia de calor a partir de chevrones para un aumento dado en la caída de presión y se usan más comúnmente que las corrugaciones entrelazadas. [2] Hay tantas formas diferentes de modificaciones para aumentar la eficiencia de los intercambiadores de calor que es extremadamente dudoso que alguna de ellas sea compatible con un simulador comercial. Además, algunos datos patentados nunca pueden ser liberados por los fabricantes de mejora de la transferencia de calor. Sin embargo, esto no significa que los ingenieros no lleven a cabo ninguna de las mediciones previas para la tecnología emergente. A continuación se proporciona información contextual sobre varias formas diferentes de cambios en los intercambiadores de calor. El objetivo principal de tener un intercambiador de calor de rentabilidad en comparación con el uso de un intercambiador de calor tradicional siempre debe cumplirse mediante la mejora del intercambiador de calor. La capacidad de ensuciamiento, la confiabilidad y la seguridad son otras consideraciones que deben abordarse.
Primero es la limpieza periódica. La limpieza periódica (limpieza in situ) es el método más eficaz para eliminar todos los residuos y la suciedad que, con el tiempo, reducen la eficiencia del intercambiador de calor. Este enfoque requiere que se drene ambos lados del PHE (intercambiador de calor de placas), seguido de su aislamiento del fluido en el sistema. Desde ambos lados, el agua debe eliminarse hasta que salga completamente limpia. El lavado debe realizarse en la dirección opuesta a las operaciones regulares para obtener los mejores resultados. Una vez hecho esto, es el momento de usar una bomba circular y un tanque de solución para pasar un agente de limpieza mientras se asegura que el agente sea compatible con las juntas y placas del PHE (Intercambiador de calor de placas). Por último, hasta que la corriente de descarga salga limpia, el sistema debe enjuagarse con agua nuevamente.
Optimización de intercambiadores de calor de placas
Para lograr una mejora en los PHE, se deben considerar dos factores importantes, a saber, la cantidad de transferencia de calor y la caída de presión, de modo que se debe aumentar la cantidad de transferencia de calor y disminuir las caídas de presión. En los intercambiadores de calor de placas debido a la presencia de chapa ondulada, existe una resistencia significativa al flujo con alta pérdida por fricción. Por lo tanto, para diseñar intercambiadores de calor de placas, se deben considerar ambos factores.
Para varios rangos de números de Reynolds, existen muchas correlaciones y ángulos de cheurón para intercambiadores de calor de placas. La geometría de la placa es uno de los factores más importantes en la transferencia de calor y la caída de presión en los intercambiadores de calor de placas, sin embargo, esta característica no se prescribe con precisión. En los intercambiadores de calor de placas onduladas, debido a la estrecha trayectoria entre las placas, existe una gran capacidad de presión y el flujo se vuelve turbulento a lo largo de la trayectoria. Por lo tanto, requiere más potencia de bombeo que los otros tipos de intercambiadores de calor. Por lo tanto, se busca una mayor transferencia de calor y una menor caída de presión. La forma del intercambiador de calor de placas es muy importante para las aplicaciones industriales que se ven afectadas por la caída de presión. [ cita requerida ] La extensión de superficies mediante aletas e inserciones son algunos tipos de formas para mejorar el intercambiador de calor. Tanto en el interior como en el exterior, los tubos de aletas pueden tener aletas. Este es probablemente el método más antiguo de mejora de la transferencia de calor. El aleteo será beneficioso si el fluido, como un gas, tiene un coeficiente de película de transferencia de calor relativamente bajo. Con la turbulencia aplicada, la aleta no solo aumenta el coeficiente de película, sino que también aumenta el área de superficie de transferencia de calor. La caída de presión más alta da como resultado esta eficiencia adicional. Sin embargo, el área de la aleta debe modificarse para el rendimiento, como con cualquier área de superficie adicional. Con respecto a la transferencia de calor, esta eficiencia de la aleta contribuye a una altura óptima de la aleta. En la literatura abierta, la mayoría de los coeficientes de transferencia de calor y de película se requieren para tubos con aletas y los paquetes comerciales de clasificación de intercambiador de calor se admiten principalmente. Un artículo reciente también define la predicción del rendimiento de los tubos con aletas. La literatura también ofrece datos sobre la salida de tubos de aletas bajas en comparación con correlaciones generalizadas.
Para facilitar la vibración, se insertan tabuladores, insertos o mezcladores estáticos en el tubo. Con fluidos de alta viscosidad en una región de flujo laminar, estos dispositivos son en su mayoría eficientes. Los aumentos pueden ser de hasta cinco veces los coeficientes de la película de transferencia de calor. Para la transferencia de calor del líquido y para facilitar la ebullición, se utilizan con mayor frecuencia insertos. Los insertos generalmente no son eficientes en el tubo para condensar y casi siguen aumentando la caída de presión. No existen similitudes generales para predecir cambios, debido a la complejidad de las relaciones entre la geometría del inserto y el resultado del aumento en la transferencia de calor y la disminución de la presión. Sin embargo, el beneficio del coeficiente de transferencia de calor resultante, en ciertos casos, se puede lograr con una caída de presión más baja cambiando el número de pasadas.
Ecuación de distribución de flujo y transferencia de calor
Los cálculos de diseño de un intercambiador de calor de placas incluyen la distribución del flujo y la caída de presión y la transferencia de calor. El primero es un problema de distribución de flujo en colectores . [3] Una configuración de diseño de intercambiador de calor de placas se puede simplificar generalmente en un sistema de colector con dos colectores para dividir y combinar fluidos, que pueden clasificarse en disposición tipo U y tipo Z según la dirección del flujo en los colectores, como mostrado en disposición múltiple. Bassiouny y Martin desarrollaron la teoría del diseño anterior. [4] [5] En los últimos años, Wang [6] [7] unificó todos los principales modelos existentes y desarrolló una teoría y una herramienta de diseño más completa.
La tasa total de transferencia de calor entre los fluidos fríos y calientes que pasan a través de un intercambiador de calor de placas se puede expresar como: Q = UA∆Tm donde U es el coeficiente de transferencia de calor general , A es el área total de la placa y ∆Tm es el log diferencia de temperatura media . U depende de los coeficientes de transferencia de calor en las corrientes fría y caliente. [2]
Esta limpieza ayuda a evitar las incrustaciones y las incrustaciones sin que sea necesario apagar el intercambiador de calor o interrumpir las operaciones. Para evitar que el rendimiento del intercambiador de calor disminuya y la vida útil de la extensión del tubo, la OnC (limpieza en línea) se puede utilizar como método independiente o junto con un tratamiento químico. El sistema de tipo de bola recirculante y el sistema de cepillo y cesta son algunas de las técnicas de OnC. OfC (Offline Cleaning) es otro método de limpieza eficaz que aumenta eficazmente el rendimiento de los intercambiadores de calor y reduce los gastos operativos. Este método, también conocido como pigging, usa una forma similar a un dispositivo de bala que se inserta en cada tubo y usa alta presión de aire para forzar el tubo hacia abajo. El lavado químico, el hidrolavado y el hidrolavado son otros métodos ampliamente utilizados además del OfC. Ambas técnicas, cuando se usan con frecuencia, restaurarán el intercambiador a su eficiencia óptima hasta que el ensuciamiento y las incrustaciones comiencen a deslizarse lentamente y afectarán adversamente la eficiencia del intercambiador de calor.
El costo de operación y mantenimiento es necesario para un intercambiador de calor. Pero hay diferentes formas de minimizar el costo. En primer lugar, el costo se puede minimizar reduciendo la formación de incrustaciones en el intercambiador de calor que disminuye el coeficiente general de transferencia de calor. Según el análisis estimado, el efecto de la formación de incrustaciones generará un enorme costo de pérdidas operativas que superará los 4 mil millones de dólares. El costo total de ensuciamiento, incluido el costo de capital, el costo de energía, el costo de mantenimiento y el costo de la pérdida de ganancias. Los inhibidores de incrustaciones químicas son uno de los métodos de control de incrustaciones. Por ejemplo, se pueden usar copolímeros de ácido acrílico / acrilato de hidroxipropilo (AA / HPA) y ácido acrílico / ácido sulfónico (AA / SA) para inhibir el ensuciamiento por deposición de fosfato cálcico. A continuación, la deposición de incrustaciones también se puede reducir instalando el intercambiador de calor verticalmente a medida que la fuerza gravitacional aleja cualquiera de las partículas de la superficie de transferencia de calor en el intercambiador de calor. En segundo lugar, el costo de operación se puede minimizar cuando se usa vapor saturado en comparación con vapor sobrecalentado como fluido. El vapor sobrecalentado actúa como aislante y mal conductor de calor, no es adecuado para aplicaciones de calor como intercambiadores de calor
Ver también
Referencias
- ^ "Intercambiadores de calor de placas" . Gold-Bar Engineering ltd . Consultado el 30 de junio de 2015 .
- ^ a b Hewitt, G (1994). Proceso de transferencia de calor . Prensa CRC.
- ^ Wang, JY (2011). "Teoría de la distribución de flujo en colectores". Ingeniería Química J . 168 (3): 1331-1345. doi : 10.1016 / j.cej.2011.02.050 .
- ^ Bassiouny, MK; Martin, H. (1984). "Distribución de flujo y caída de presión en intercambiadores de calor de placas. Parte I. Disposición tipo U". Chem. Ing. Sci . 39 (4): 693–700. doi : 10.1016 / 0009-2509 (84) 80176-1 .
- ^ Bassiouny, MK; Martin, H. (1984). "Distribución de flujo y caída de presión en intercambiadores de calor de placas. Parte II. Disposición tipo Z". Chem. Ing. Sci . 39 (4): 701–704. doi : 10.1016 / 0009-2509 (84) 80177-3 .
- ^ Wang, JY (2008). "Caída de presión y distribución de flujo en canal paralelo de configuraciones de pilas de pilas de combustible: disposición tipo U". Revista Internacional de Energía de Hidrógeno . 33 (21): 6339–6350. doi : 10.1016 / j.ijhydene.2008.08.020 .
- ^ Wang, JY (2010). "Caída de presión y distribución de flujo en canal paralelo de configuraciones de pilas de pilas de combustible: disposición tipo Z". Revista Internacional de Energía de Hidrógeno . 35 (11): 5498–5509. doi : 10.1016 / j.ijhydene.2010.02.131 .
Bibliografía
- Sadik Kakac y Hongtan Liu (marzo de 2002). Intercambiadores de calor: selección, clasificación y diseño térmico (2ª ed.). Prensa CRC. ISBN 978-0-8493-0902-1.
- T. Kuppan (febrero de 2000). Manual de diseño de intercambiadores de calor (1ª ed.). Prensa CRC. ISBN 978-0-8247-9787-4.
- JM Coulson y JF Richardson (1999). Ingeniería química de Coulson & Richarson Volumen 1 (6ª ed.). Butterworth Heinemann. ISBN 978-0-7506-4444-0.
enlaces externos
- Intercambiadores de calor en Curlie
- Una lista de artículos publicados relacionados con los intercambiadores de calor de placas
- Un método de cribado para la selección óptima de configuraciones de intercambiadores de calor de placas por JMPinto y JAWGut, Universidad de São Paulo , Brasil.
- Buscando el diseño óptimo de un intercambiador de calor de placas típico (PHE) por Athanasios G. Kanaris, Aikaterini A. Mouza y Spiros V. Paras, Universidad Aristóteles de Tesalónica .