El tamaño importa: el intercambiador de calor adecuado a sus necesidades

Por Arnold Kleijn, director de ventas España / Director product development, HRS Heat Exchangers

Conozca su proceso

En el mercando se pueden encontrar de varios tipos: placas, tubo, tubo corrugado, superficie rascada, etc. Cada uno es adecuado para una aplicación concreta, así que piense detenidamente sobre su proceso, incluida la naturaleza del producto/s que se van a calentar o enfriar, el objetivo del proceso (como el calentamiento o la pasteurización) y cualquier restricción del entorno donde se va a utilizar el intercambiador. La fuerza impulsora para la transferencia térmica es la diferencia de temperatura entre las dos sustancias (en la mayoría de los casos, fluidos). En el caso de un intercambiador de calor tubular liso, la temperatura de dos fluidos simples cambia a medida que pasan a través del intercambiador. Una de las razones para fabricar intercambiadores de calor de tubo corrugado y superficie rascada es que son adecuados para fluidos y productos con propiedades complejas, como fluidos viscosos y no newtonianos, o para productos que contienen partículas o sedimentos. Por lo tanto, siempre debe tener en cuenta el producto que va a procesar antes de seleccionar su intercambiador y es una buena idea buscar el asesoramiento profesional de los fabricantes y sus agentes, para ayudarle en el proceso de selección.

Un tamaño único no sirve para todo

Una vez elegido el intercambiador, los fabricantes deben asegurarse de que el modelo suministrado tenga el tamaño correcto para el trabajo a desempeñar. En otras palabras, que ofrezca la cantidad correcta de transferencia térmica para el fluido/s a tratar y con el rendimiento requerido. El intercambiador debe tener un área de transferencia de calor lo suficientemente grande para los fluidos especificados y sus temperaturas de entrada y salida indicadas. La mayoría de los cálculos también deben tener en cuenta otras variables, por ejemplo, si el intercambiador funciona a contraflujo o con flujo paralelo.

Rompiendo barreras

Otro factor clave que controla la transferencia térmica es la resistencia al flujo de calor a través de las diversas «capas» que forman una barrera entre los dos fluidos. Podemos identificar cinco capas:

1. La «capa límite» interior, formada por el fluido que fluye en estrecho contacto con la superficie interior del tubo.
2. La capa de suciedad formada por deposición de sólidos o semisólidos en la superficie interior del tubo (que puede o no estar presente).
3. El grosor de la pared del tubo y el material utilizado, que regirá la resistencia al flujo de calor a través del tubo.
4. La capa de incrustación formada por la deposición de sólidos o semisólidos en la superficie exterior del tubo (que puede o no estar presente).
5. La «capa límite» exterior formada por el fluido que fluye en estrecho contacto con la superficie exterior del tubo.

Los valores para los apartados 2 y 4, pueden ser proporcionados por el cliente, en función de su experiencia, mientras que el ingeniero del intercambiador de calor seleccionará el tamaño del tubo, el grosor y los materiales, para adaptarse a la aplicación. La resistencia al flujo de calor resultante de los números 1 y 5 (conocidos como coeficientes parciales de transferencia de calor) depende tanto de la naturaleza de los fluidos como de la geometría de las propias superficies de transferencia térmica.

Generar turbulencia

Una forma de evitar la acumulación de estas capas es aumentar la velocidad a la que el fluido pasa a través del intercambiador de calor, para generar turbulencias y así separar la capa límite de la superficie del tubo. Este es el punto en el que el denominado flujo laminar (con el fluido que pasa a través de capas lisas, donde la capa más interna fluye a una velocidad mayor que la más externa) se convierte en flujo turbulento (donde el fluido no fluye en capas lisas, sino que se mezcla o se agita a medida que fluye).

La velocidad a la que esto sucede está influenciada por muchos factores, pero para cuantificarla y poder especificar el intercambiador de calor, los ingenieros aplican el llamado número de Reynolds, que está determinado por el diámetro del tubo, la velocidad de la masa del fluido y su viscosidad. Los números de Reynolds inferiores a 2.100 describen flujos laminares, mientras que los superiores a 10.000 describen flujos turbulentos completos. Entre ambos valores hay un área de incertidumbre, llamada zona de transición, donde se observa una transición general de flujo laminar completo al flujo turbulento completo. En la práctica, los ingenieros intentan proporcionar soluciones fuera de esta zona, en la medida de lo posible. La deformación del tubo, como la corrugación, ayuda a aumentar el rendimiento de transferencia térmica, una vez dentro del área de flujo turbulento (Reynold> 2.100). Esta es la razón principal para usar intercambiadores de calor de tubo corrugado.

Cálculos de última generación.

Como en cualquier ciencia, las matemáticas y la comprensión de la dinámica térmica continúan evolucionando y mejorando. Sin embargo, gran parte de la literatura comúnmente utilizada para construir cálculos y modelar el rendimiento del intercambiador de calor puede tener hasta 80 años y no siempre refleja los últimos avances. Además, aunque existe literatura científica sobre el comportamiento de los fluidos en tubos lisos y corrugados, hay pocos datos publicados sobre intercambiadores de calor de superficie rascada.

Con nuestra experiencia y los datos científicos disponibles más recientes, HRS ha diseñado un nuevo programa de software de última generación, para calcular el tamaño necesario de nuestros intercambiadores de calor. Los resultados obtenidos son muy interesantes y brinda nuevas perspectivas sobre la mejor manera de diseñar intercambiadores de calor tubulares y de superficie rascada, que ofrezcan los mejores niveles de rendimiento.