¿Qué son los intercambiadores de calor de placas?
Los intercambiadores de calor de placas son uno de los tipos más comunes de intercambiadores de calor utilizados actualmente; el otro tipo común es el intercambiador de calor de carcasa y tubos. El intercambiador de calor espiral también se emplea en aplicaciones industriales, aunque su uso es menos frecuente en comparación con los otros dos tipos de intercambiadores de calor.
Los intercambiadores de calor de placas han sido ampliamente adoptados en el ámbito de la ingeniería debido a su eficiencia, robustez y facilidad de mantenimiento.
Intercambiador de Calor de Placas Ensamblado
Componentes del Intercambiador de Calor de Placas (PHE)
Los intercambiadores de calor de placas están compuestos por relativamente pocas partes. Dado que se utilizan para transferir calor, requieren entradas y salidas para que los medios de flujo -o fluidos- puedan entrar y salir del intercambiador. Un fluido puede ser un líquido o un gas. Como a menudo se asume que los fluidos son solo líquidos, utilizaremos el término medio de flujo para evitar confusiones.
Intercambiador de Calor de Placas (Vista Explosiva)
Juntas y placas se utilizan para separar los medios de flujo y evitar su mezcla; las juntas se adhieren a un solo lado de cada placa. Las placas cuelgan de una barra de soporte y se presionan juntas mediante pernos de sujeción. Cuando las placas se comprimen, se les denomina ‘paquete de placas’. Una barra guía asegura la correcta alineación de las placas al abrir y cerrar el paquete.
Componentes del Intercambiador de Calor de Placas
Los componentes finales de interés son las dos cubiertas en los extremos opuestos del paquete de placas. Una cubierta es móvil mientras que la otra es fija. La cubierta móvil y la cubierta fija a veces también se denominan placa de marco y placa de presión. Tenga en cuenta que las entradas y salidas están montadas solo en la cubierta fija.
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Cómo Funcionan los Intercambiadores de Calor de Placas
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A lo largo de este artículo, asumiremos un intercambiador de calor de placas hipotético que tiene dos medios de flujo, uno frío y otro caliente. El medio caliente necesita ser enfriado por el medio frío, y esto ocurrirá en el intercambiador de calor de placas.
El medio caliente entra en el intercambiador de calor a través de la entrada correspondiente. Las juntas dirigen el medio caliente a medida que fluye a través del intercambiador. Cada placa tiene un patrón de juntas alternante. El medio caliente fluye hacia el espacio entre un par de placas, pero no hacia el siguiente par, ya que las juntas lo impiden. Este proceso se repite de modo que cada segundo conjunto de placas se llena con el medio caliente en flujo.
Juntas de Placas del Intercambiador de Calor de Placas
Simultáneamente, el medio frío entra por su respectiva entrada, pero las juntas están posicionadas para permitir que fluya hacia los espacios donde no hay medio caliente presente. El intercambiador de calor se llena así de ambos medios de flujo, caliente y frío. Cada medio fluye hacia su salida asociada, y el proceso es continuo.
Observe que los dos medios de flujo están siempre adyacentes a lo largo del intercambiador. Los medios de flujo tienen así un patrón de flujo caliente, frío, caliente, frío, a medida que circulan. Ambos medios están completamente separados por las juntas y las placas, no se mezclan.
Patrón Alternante Frío/Caliente
Debido a la proximidad de los medios de flujo, se intercambia calor entre ellos. El medio caliente calienta la placa, y esta transfiere parte de ese calor al medio frío; así, la temperatura del medio caliente disminuye mientras que la del medio frío aumenta.
Diseño del Intercambiador de Calor de Placas
Las placas son la razón principal por la que los intercambiadores de calor de placas son tan eficientes.
Las placas en un intercambiador de calor de placas pueden parecer tener un diseño simple, pero cada una está llena de características de ingeniería interesantes. Por ejemplo:
- Cuando las placas se comprimen para formar un paquete, el espacio entre ellas es muy reducido, asegurando un buen contacto térmico entre los medios de flujo. Este espacio también se conoce como ‘holgura’.
- Las placas son delgadas y tienen una gran superficie de contacto, lo que les confiere una alta tasa de transferencia de calor.
- Están fabricadas con materiales de alta conductividad térmica, lo que incrementa aún más la tasa de transferencia de calor.
- Las corrugaciones en las superficies de las placas previenen el flujo laminar y promueven el flujo turbulento, aumentando la transferencia de calor y reduciendo la acumulación de depósitos en las superficies.
- Las corrugaciones también refuerzan la estructura de la placa, permitiendo el uso de placas más delgadas en comparación con aquellas sin corrugaciones. Las corrugaciones a veces se describen como un patrón de ‘espina de pescado’.
Patrón de Espina de Pescado Corrugado
Las placas no son la única parte con características de diseño extensas; las juntas también presentan características interesantes:
- Las juntas mantienen un sello entre las placas incluso cuando la presión y la temperatura del sistema varían.
- Los agujeros en cada junta, conocidos como indicadores, se utilizan para detectar fugas. Esta característica permite a los operadores cambiar la placa afectada antes de que el medio con fugas contamine el otro medio de flujo.
Indicador del Intercambiador de Calor de Placas
- Las juntas guían el flujo a través del intercambiador, por lo que es esencial instalarlas en el orden correcto. Por esta razón, las juntas suelen tener marcas para que los operadores verifiquen que cada placa esté en el orden correcto en el paquete. Otra forma de asegurar el orden correcto es pintar una línea diagonal a través del paquete cuando está ensamblado.
Paquete de Placas con Línea Diagonal
- Aunque solo hemos mostrado dos diseños de juntas hasta ahora, ¡hay tres! Las juntas alternan a lo largo del intercambiador excepto en las primeras y últimas placas, que presionan contra las cubiertas fija y móvil. Estas placas se conocen como placas de inicio y placas de fin. Su propósito es evitar el flujo hacia el espacio entre la cubierta y la placa de inicio o fin, ya que las cubiertas no están diseñadas para intercambiar calor.
Juntas de Placas (junta de placa de fin mostrada a la derecha)
Variando la Capacidad de Enfriamiento
Existen varias formas de ajustar la capacidad de enfriamiento de un intercambiador de calor de placas:
- Regular las válvulas de salida para incrementar o disminuir el flujo; este método es útil porque no requiere desmontar el intercambiador. No estrangule/regule las válvulas de entrada ya que esto puede causar sobrecalentamiento localizado.
- Aumentar o disminuir el número de placas en el paquete. Más placas incrementan la capacidad de enfriamiento, mientras que menos placas la reducen.
- Usar un diseño de paso único o multipaso. Los intercambiadores de paso único permiten que los medios de flujo pasen uno junto al otro una sola vez, mientras que los multipaso lo hacen varias veces. La mayoría de los intercambiadores de placas utilizan el diseño de paso único.
Diseño de Paso Único y Multipaso
Tipos de Flujo
El flujo a través de un intercambiador de calor de placas puede ser paralelo, cruzado o contracorriente. Los intercambiadores de placas generalmente utilizan flujo contracorriente, ya que es el más eficiente para la transferencia de calor. El flujo contracorriente a veces se denomina flujo contrario.
Flujo Paralelo, Contracorriente y Cruzado
Consideraciones de Diseño para las Placas
Los intercambiadores de calor de placas deben diseñarse para soportar las condiciones del proceso en el que operan, incluyendo ambientes corrosivos y erosivos. Pueden fabricarse con diversos materiales, como metales, aleaciones y plásticos, lo que los hace adecuados para diferentes aplicaciones. Por ejemplo, si un medio de flujo reacciona agresivamente con ciertos metales, se pueden usar materiales poliméricos como el teflón.
Ventajas del Intercambiador de Calor de Placas
Existen numerosas ventajas asociadas con los intercambiadores de calor de placas:
- Pesan menos, requieren menos espacio y son más eficientes en comparación con otros diseños de intercambiadores de calor del mismo tamaño.
- Reemplazar y limpiar las placas es sencillo porque el paquete se puede abrir fácilmente.
- A diferencia de los intercambiadores de carcasa y tubos, no requieren espacio adicional para el desmontaje.
Desventajas del Intercambiador de Calor de Placas
Sin embargo, también presentan algunas desventajas:
- Suelen ser más caros que otros diseños.
- Si una junta tiene fugas y un medio se mezcla con otro, la placa con fugas puede ser difícil de localizar.
- El reemplazo de juntas in situ puede ser complicado. Algunas deben ser devueltas al fabricante, lo que implica tiempo y costo.
- Cuando las placas se comprimen, la holgura entre ellas es pequeña, aumentando la probabilidad de ensuciamiento y reduciendo la transferencia de calor.
- Al reensamblar, apretar en exceso los pernos puede dañar las placas, afectando las corrugaciones y expulsando las juntas. Si las juntas son expulsadas, la placa no sellará correctamente.
- No son adecuados para aplicaciones de alta presión, ya que las juntas podrían ser expulsadas; esto se conoce como ‘expulsión de juntas’. Sin embargo, se puede evitar usando un diseño sin juntas, que emplea placas soldadas o brazadas. Estos son más adecuados para aplicaciones de alta temperatura y presión, o donde las fugas serían peligrosas, como con medios tóxicos.
Recursos Adicionales
https://en.wikipedia.org/wiki/Plate_heat_exchanger
https://www.alfalaval.com/microsites/gphe/tools/how-gphes-work