intercambiador de calor de placas
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INDICE
1 Descripción.1.1 Que es un intercambiador de calor? 1.2 Porque utilizar intercambiadores de calor? 1.3 Que es un intercambiador de calor de tipo placas?
2. Partes del intercambiado. 2.1 Que partes conforman el intercambiador de calor de placas? 2.1.1 Bastidor 2.1.2 Conexiones 2.1.3 Pernos de amarre 2.1.4 Placa de presión 2.1.5 Placas 2.1.5.1 Placas madre 2.1.5.2 Placa de cabeza 2.1.5.3 Placa de intercambio de calor 2.1.5.3.1 placas soft 2.1.5.3.2 placas hard.
3. Aplicaciones industriales 3.1 Donde es útil utilizar un intercambiador de calor de placas? 3.1.1 Industria alimenticia 3.1.1.1 Industria lechera 3.1.2 Industria Quimica y Petroquimica 3.1.3 Industria del aire acondicionado 3.1.4 Calefaccion y energía solar 3.1.5 industria Marina.
4 Materiales de fabricación 4.1 Bastidor y estructuras.
4.1.1 Aceros Inoxidables martesiticos
4.1.2 Aceros Inoxidables ferriticos.
4.1.3 Acero Inoxidable Austeniticos
4.1.4 Selección del Acero
4.2 Placas.
4.3 Juntas.
5 Ventajas.
6. BIBLIOGRAFIA
Intercambiador de calor de placas
1. Descripción
1.1 Que es un intercambiador de Calor?
Los intercambiadores de calor son aparatos que facilitan el intercambio de calor
entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes y evitan al mismo
tiempo que se mezclen entre sí.
1.2 Porque utilizar intercambiadores de calor?
La transmisión de calor es necesaria en los procesos industriales actuales,
mediante esta transmisión se consiguen ahorros energéticos y máximo
aprovechamiento de la energía ya disponible en el sistema.
1.3 Que es un intercambiador de calor de tipo placas?
El intercambiador de calor de placas está constituido por un paquete de placas
metálicas corrugadas mediante un proceso de estampación en frío, soportadas
entre sí mediante un bastidor compuesto por una parte fija y otra móvil, el cual
posibilita el ajuste y asegura el sellamiento entre los fluidos. El paquete de placas,
que constituye la superficie de intercambio, forma un sistema de canales de flujos
paralelos, en donde los fluidos circulan en contracorriente atravesando canales
alternativos con el objeto de provocar un alto coeficiente de transmisión de calor.
La corrugación de la placa hace aumentar la superficie de intercambio, a la vez
que provoca una gran turbulencia de los fluidos, lo cual confiere una gran rigidez
mecánica, que posibilita la utilización de menos espesor, reduciendo al mínimo su
resistencia al intercambio térmico y pudiendo soportar presiones de trabajo
elevadas debido a los múltiples puntos de contacto entre las placas.
2. Partes del intercambiado
2.1 Que partes conforman el intercambiador de calor de placas?
El intercambiador de calor de placas está conformado por varias partes entre las
que tenemos
2.1.1 Bastidor: Es una placa fija de acero con varios orificios para la conexión del
sistema de tuberías a esta se unen la barra sustentadora y la barra guía.
Normalmente está construido de aleaciones de acero al carbón para darle buena
rigidez y duración y lleva una capa de pintura base epoxi para hacerla resistente
a la corrosión ya que normalmente en la industria los intercambiadores se
encuentran ubicados en lugares muy agrestes.
Existen diferentes tipos de bastidores los cuales se diferencias por el tipo de
construcción y por los materiales utilizados para su fabricación. Entre los que
tenemos de tipo N, S, T.
2.1.2 Conexiones: los orificios de conexión que atraviesan la placa del bastidor
permiten la entrada o salida del fluido desde el intercambiador de calor, se
pueden utilizar diferentes tipos de conexiones para unir el sistema de
tuberías al aparato. La elección de los materiales para la fabricación de las
conexiones o de sus revestimientos se hace en base a su resistencia a la
corrosión frente a los fluidos del proceso. Por ejemplo si se trata de un
medio muy agresivo se requieren de aleaciones y materiales más
resistentes para la conexión. En la siguiente figura se indica la
nomenclatura de las posiciones de conexiones
2.1.3 Pernos de amarre: cumplen la misión de sujetar el conjunto de las placas
de tal manera que se produzca un cierre hermético. Su función es
comprimir el conjunto de placas entre el bastidor y la placa de presión.
Están construidos de acero al carbón, tienen una gran longitud de hilo para
ajustar las tuercas de sujeción. Su ajuste se logra midiendo la longitud que
existe entre las dos placas madre con una secuencia especificada por el
fabricante.
Es importante no intercambiar las tuercas de sujeción para evitar daños en
los hilos por donde se desplaza la tuerca además de esto es importante
medir el largo total de los pernos sin carga para poder calcular su fatiga, por
ejemplo cuando se han elongado en más de lo especificado por el
fabricante se dice que el perno esta fatigados y nunca lograremos un
ajuste de presión ideal.
Procedimiento de desensamble: Para abrir el intercambiador, es necesario
desconectar todas las conexiones y realizar una lubricación de todos los
tornillos antes de realizar el desmontaje, a continuación se aflojan
completamente y se retiran todos los tornillos excepto los indicados por un
"círculo relleno" en la figura 26b para el tamaño de la unidad en cuestión.
Los cuatro tornillos (4) restantes pueden entonces ser aflojados en
cualquier secuencia hasta que puedan ser liberados.
Procedimiento de ensamble: la figura 26a da la secuencia de ajuste para
los pernos, el ajustes se realiza siguiendo la secuencia de los números, se
debe tener cuidado de apretar uniformemente para evitar daños en las
placas y en los empaques.
2.1.4 Placa de presión: Su función es mantener las placas anidas al bastidor
con ayuda de los pernos de sujeción esta se desplaza horizontalmente al
deslizarse por la barra sustentadora y la barra guía. Al igual que el bastidor
la placa de presión tiene orificios para realizar las conexiones con la
tubería. cuando se requiere realizar trabajos de mantenimiento la placa
de presión se puede desplazar y así permite el acceso fácil a las superficies
de transferencia de calor.
2.1.5 Placas: Estas placas son las encargadas de transmitir el calor de una a
otro medio. Es el lugar en el IC en donde se realiza la transferencia de
calor, por tal motivo es la parte principal de un intercambiador. El conjunto
de placas está formado por placas madre, placa de cabeza, placas de
intercambio de calor, Todas las placas de intercambio de calor se
componen de zonas bien diferenciadas.
2.1.5.1Placas madres: su objetivo es resistir las deformaciones producto de la
acción del calor al que está sometido el conjunto de placas, además suministra
una excelente superficie de apoyo indeformable a la empaquetadura que la une
con el conjunto de placas de intercambiadoras de calor, se le conoce con el
nombre también de placa terminal. Está instalada en el extremo terminal del
intercambiador de calor y es de espesor más grueso que las placas de
transferencia de calor.
2.1.5.2 Placa de cabeza: esta placa permite la entrada y la salida del líquido
caliente y del líquido utilizado como refrigerante. Se reconoce por ser la placa más
gruesa instalada en el extremo por donde ingresa el líquido al intercambiador, está
formada además por cuatro orificios una entrada y una salida del líquido a enfriar y
una entrada y una salida del líquido utilizado como refrigerante.
2.1.5.3 Placa de intercambio de calor: Es una placa que recibe el líquido
refrigerante por un lado y por el otro tiene contacto con el líquido a refrigerar su
posición y orden durante el armando es importante para lograr este objetivo, razón
por la cual el desarmar el paquete de placas se debe tener cuidado en mantener
su orden. Su construcción es de espesor delgado con una preforma que entrega
una turbulencia requerida para evitar tener una buena transferencia de calor.
Cada uno de los intercambiadores de calor de placas está diseñado
específicamente para condiciones de servicio requeridos, por lo tanto la
disposición de las placas y los respectivos recorridos de los fluidos a través del
intercambiador varía en cada aparato.
Las corrugaciones de una placa es el lugar por la cual circula el fluido en capas de
muy bajo espesor y con gran turbulencia lo que origina una alta transferencia de
calor, Pese a que el tipo de corrugación de las placas de los IC de placas puede
ser casi cualquiera los más comúnmente encontrados son los corrugados tipo H,
W, Y, Z, V, F.
Dependiente de los ángulos que tengan las corrugaciones las placas se
clasifican en suaves, medias y duras.
2.1.5.3.1 Placas Suaves o soft: se caracterizan por tener bajos coeficientes de
transferencia y pequeñas pérdidas de carga. Las placas soft se caracterizan por
tener un diseño de ángulos superiores a los 60 grados en la dirección del flujo
(chevrons) que ofrecen menos resistencia al flujo de fluidos.
2.1.5.3.2 Placas duras o hard: se caracterizan por tener coeficientes de
transferencia de calor más altos con mayores pérdidas por fricción. Son de una
geometría más compleja con corrugaciones trasversales o diagonales a la
dirección del flujo lo que origina mayor turbulencia pues son más largas y
estrechas y tienen corrugaciones más profundas. También tienen una menor
separación entre placas.
Como lo mencionamos anteriormente dependiendo del tipo de placas se va a
generar un flujo turbulento en mayor o menor medida el cual tiene como función
romper la película limite adherida a la superfie de transferencia dando altos
coeficientes de convección y un bajo nivel de ensuciamiento.
2.1.6 Juntas o empaques: El propósito de las juntas es evitar que se mezclen los
fluidos o se produzcan fugas hacia el exterior, también tienen como propósito
direccionar los fluidos en sus canales alternado frio y caliente. El material en el
que están fabricadas las juntas está relacionado con la presiones la temperatura y
las características fisicoquímicas de los fluidos. Cada placa de intercambio viene
provista por dos juntas anulares y una junta de campo. En la zona donde se
encuentra el detector de fugas las juntas presentan una muesca cuya misión es
facilitar la fuga al exterior de los fluidos en caso de fallar la junta diagonal o una de
las juntas anulares en la parte interna de la placa.
La fijación de las juntas a las placas se puede hacer mediante dos métodos.
Método de fijación con adhesivo: este método se recomienda para equipos que
soportan altas presiones en su interior y fluidos altamente corrosivos. En la cuna o
lugar en donde encaja la junta se aplica una capa de adhesivo uniforme, este
método es muy recomendado para IC que requieren ser abiertos muy
frecuentemente por motivos de limpieza.
Método de fijación mecánica: la fijación mecánica se realiza en diversos puntos de
las placas del intercambiador y el número de puntos de sujeción varía con el
tamaño de la placa. La sujeción se realiza mediante la introducción de lengüetas
en los agujeros previstos para este fin en los bordes de las placas.
Como funciona un intercambiador de calor de placas?
En un intercambiador de calor de placas el calor se transfiere del líquido más
caliente al más frio través de delgadas placas de metal conocidas como placas de
trasferencia que han sido prensadas dentro de un patrón especial. Cuando se
realiza el prensado de un conjunto de placas los orificios de las esquinas forman
múltiples conjuntos que conducen el líquido frio y el caliente a los pasos entre las
placas, debido a la disposición de las empaquetaduras o juntas en las placas el
líquido caliente entre a las placas pares y el líquido frio ingresa a las placas
impares y los dos líquidos fluyen en dirección opuesta.
Cuando se produce un intercambio de calor este se encuentra con varias
resistencias térmicas se oponen al paso de calor, en nuestro intercambiador de
calor estas resistencias son.
Resistencia debido a la película del fluido caliente que se adhiere a las paredes
del intercambiador.
Resistencia debido al material de fabricación de las placas
Resistencia debido a la incrustación en los equipos o suciedad.
La resistencia debido a incrustaciones en los equipos se puede minimizar
realizando limpieza de las placas, una vez las placas se encuentren desmontadas
pueden ser limpiadas mediante chorros de vapor o agua, los cepillos de acero
inoxidable o de plástico pueden ser utilizados como una herramienta de ayuda en
el proceso de limpieza aunque se debe tener mucho cuidado de no rayar la
superficie de las placas. Otra alternativas es realizar una limpieza química
mediante baños por inmersión en sustancias químicas pero se debe verificar antes
de realizar este procedimiento que el agente de limpieza no atacara químicamente
el material de las placas.
3. APLICACIONES INDUSTRIALES
3.1Donde es útil utilizar un intercambiador de calor de placas?
3.1.1Industria alimentaria: Enfriamiento, termización y pasteurización de leche,
zumos, bebidas carbonatadas, salsas, vinagres, vino, jarabe de azúcar, aceite,
etc.
3.1.1.1 industrias lechera: Intercambiador de calor de placas en la industria
lechera es uno de los mas utilizados en nuestra industria por tal motivo vamos a
realizar una explicacion mas a detalle de este. Los intercambiadores de calor de
placas se usan en la industria lechera en variedad de aplicaciones de
calentamiento y refrigeracion. Para la aplicaciones de calentamiento se suele
utilizar vapor como medios primarios pues se controlan facilmente y su excelente
cualidad para transportar calor permite dimensionar al minimo las tuberias y el
intercambiador. Una valvula de control de temperatura ajusta constantemente el
caudal y presion del vapor para asi lograr que el producto que sale del
intercambiador este siempre a una temperatura correcta. Es importante tener en
cuenta que cuando el vapor sede su calor se produce una condensacion esta
condensacion se debe desalojar del intercambiador de calor para poder tener una
buena trasnferencia de calor.
El desalojo del la condensacion se realiza con ayuda de una unidad
bomba/purgador de esta manera se asegura que el condensado se desaloje del
intercambiador.
3.1.2 Industria química y petroquímica: producción de combustibles, etanol,
biodiesel, disolventes, pinturas, pasta de papel, aceites industriales, plantas de
cogeneración, etc.
3.1.3 Industria del Aire acondicionado: cualquier proceso que implique
enfriamiento o calentamiento de los gases.
3.1.4 Calefacción y Energía Solar: producción de agua caliente sanitaria,
calentamiento de piscinas, producción de agua caliente mediante paneles solares,
etc.
3.1.5 Industria marina: enfriadores de agua de refrigeración de los motores,
enfriadores de aceite. Cabe destacar que el material de las placas para poder
resistir el poder de corrosión del agua del mar es el Titanio, de menor peso que el
acero inoxidable y resistente a la corrosión del agua salina.
4 Materiales de fabricacion. Los diversos materiales de construccion utilizados
en la fabricacion de un intercambiador de calor de placas depende de la
industria en la que se va a utilizar y el fabricante del intercambiador. Por tanto
aremos un recuento de los materiales mas utilizados en cada una de las partes
principales de in intercambiador de calor de placas.
4.1 Bastidor y estructuras: En la fabricacion de los bastidores se utiliza
comunmente aceros inoxidables de los cuales los mas utilizados en la fabricacion
del bastidor y las estructuras primarias son:
4.1.1 ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS: Los Martensíticos son
esencialmente aleaciones de cromo y carbono. El contenido de cromo es
generalmente de 10.5 a 18% y el de carbono es alto, alcanzando valores
de hasta 1.2%. Representan una porción de la serie 400, sus
características son:
Moderada resistencia a la corrosión
Endurecibles por tratamiento térmico y por lo tanto se pueden
desarrollar altos niveles de resistencia mecánica y dureza.
Son magnéticos.
Debido al alto contenido de carbono y a la naturaleza de su
dureza, es de pobre soldabilidad.
4.1.2 ACEROS INOXIDABLES FERRÍTICOS: Los Ferríticos son esencialmente
aleaciones con cromo. El contenido de cromo es usualmente de 10.5 a
30%, pero contenidos limitados de carbono del orden de 0.08%. Algunos
grados pueden contener molibdeno, silicio, aluminio, titanio y niobio que
promueven diferentes características.
Usualmente se les aplica un tratamiento de recocido con lo que obtienen
mayor suavidad, ductilidad y resistencia a la corrosión
Su soldabilidad es pobre por lo que generalmente se eliminan las
uniones por soldadura a calibres delgados
Resistencia a la corrosión de moderada a buena.
Son magnéticos.
4.1.3 ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS: Los Ausenticos se obtienen
adicionando elementos formadores de austenita, tales como níquel,
manganeso y nitrógeno. El contenido de cromo generalmente varía del 16
al 26% y su contenido de carbono es del rango de 0.03 al 0.08%. sus
propiedades son
Excelente resistencia a la corrosión.
Endurecidos por trabajo en frío y no por tratamiento térmico.
Excelente soldabilidad.
Excelente factor de higiene y limpieza.
Formado sencillo y de fácil transformación.
Tienen la habilidad de ser funcionales en temperaturas
4.1.4 SELECCIÓN DE ACEROS INOXIDABLES: La selección del tipo de acero
inoxidable adecuado, requiere una evaluación basada en las siguientes
características. Se listan en orden de importancia:
Resistencia a la corrosión y a la oxidación a altas temperaturas; Es la principal
razón para seleccionar aceros inoxidables. El diseñador debe conocer el medio
bajo el cual será sometido el material.
Propiedades mecánicas; la resistencia mecánica a bajas y altas temperaturas
es muy importante. Generalmente la combinación de resistencia a la corrosión
y mecánica, es la base para la selección.
Características de transformación del producto. Cómo se fabrica el producto,
es la tercera consideración, incluyendo todos los procesos a los que será
sometido el material.
Costo total; un análisis del Costo del ciclo de vida es recomendable, así
podremos evaluar no solo los costos del material, sino también aquellos
relativos al mantenimiento, reemplazo, vida en servicio, etc.
Disponibilidad. Finalmente es necesario tomar en cuenta la disponibilidad del
material
4.2 Las placas: Las placas se pueden fabricar de distintos materiales como acero
al carbono, cobre y sus aleaciones, Aluminio, Titanio puro, Aceros inoxidables,
aleaciones de níquel o níquel molibdeno y otros metales nobles. El material de
las placas debe ser fácil de estampar en frío. Ciertas aleaciones de cromo
zirconio y titanio son difíciles de deformar y no se utiliza en la construcción de
intercambiadores de placas. El espesor del material de las placas es general
mente entre 0.5 y 1.2 mm. Dado que el espesor de placas debe ser muy
delgado, se utilizan por general materiales resistentes a la corrosión. Por tal
motivo el acero al carbón común raramente se emplea en la construcción de
estos equipos y se suele utilizar el acero inoxidable como calidad mínima.
4.3Las juntas: Para las juntas de los intercambiadores de placas se utilizan
materiales elásticos como caucho natural, SRB (estireno butadieno), caucho nitrilo
(acrilonitrilo butadieno), butilo (un copolimero de isobutileno e isopreno) silicona o
elastómeros como neopreno, hypalon o vitón. A veces se emplean juntas de
amianto comprimida para aplicaciones de alta temperatura. Los materiales
plásticos del tipo PTFE (teflón o fluon). Lamentablemente no son apropiados para
la construcción de juntas debido a que tienen una baja recuperación elástica. La
selección de materiales para la elaboración de juntas de los intercambiadores de
placas es de gran importancia dado que son las juntas las que limitan la
temperatura máxima de operación del equipo.
5. Ventajas
Diseño compacto: El Intercambiador de Placas es ligero y utiliza un espacio muy
limitado, por lo que es fácil de transportar, manipular e instalar.
Alta eficiencia en la transferencia de calor: El flujo dentro del intercambiador
trabaja en direcciones opuestas para una mayor eficiencia en la transferencia de
calor.
No hay contaminación cruzada: Los conductos interiores están aislados
individualmente, y los espacios entre ellos son huecos con ventilación exterior, por
lo que no hay contaminación cruzada del fluido.
Bajo volumen de retención: Gracias a su diseño el Intercambiador proporciona
tiempos de respuesta cortos y permite un control de proceso muy preciso.
Acumulación de suciedad al mínimo: El flujo constante y turbulento del fluido
produce un efecto depurador que minimiza la acumulación de suciedad.
Mantenimiento fácil: Gracias a su diseño, el Intercambiador de Placas puede
abrirse fácilmente para realizar el mantenimiento. No es necesario quitar la tubería
para abrir la unidad.
Versatilidad: Se pueden operar con múltiples secciones de placas con divisiones.
Expansibilidad: Para expandir la capacidad del Intercambiador de Placas, solo es
necesario quitar los tornillos de compresión y agregar las placas necesarias.
Ahorro de agua: El Intercambiador de Placas economiza el agua de enfriamiento
y puede trabajar incluso con agua de baja calidad.
Mayor eficiencia en el intercambio de calor: El Intercambiador de Placas
necesita menos área de trabajo que un intercambiador de "casco y tubos".
6. BIBLIOGRAFIA.
Yunus A. Cengel, M. A. (n.d.). Termodinámica. Mc Graw Hill
Frank P. Incropera, David P. DeWitt Fundamentos de transferencia de calor
http://www.spiraxsarco.com/es/pdfs/SB/gcm-10.pdf
http://www.exonder.it/scambiotermico.it/PDF/API_SIGMA.pdf
http://es.slideshare.net/LuisPalleros/presentacin-intercambiador-de-calor
http://todoproductividad.blogspot.com/2009/03/errores-de-diseno-en-los.html
http://todoproductividad.blogspot.com/2011/08/el-diseno-de-intercambiadores-
de-calor.html
http://people.clarkson.edu/~wwilcox/Design/hxdesign.pdf
Bengt Sundén, R. M. Manglik, Plate Heat Exchangers. witpress
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431102001953
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