TIPOLOGÍAS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Existen muchas tipologías de intercambiadores de calor y múltiples formas de clasificarlos. En este artículo los clasificaremos en función de:

1. Clasificación por construcción

Contacto directo
Contacto indirecto
- Intercambiadores de tubos
- Intercambiadores de placas

2. Clasificación por funcionamiento

Intercambiadores líquido-líquido
Intercambiadores líquido-gas
Intercambiadores gas-gas
Intercambiadores para sólidos a granel

Clasificación por construcción

Los intercambiadores de calor pueden transferir la energía en contacto directo, es decir, mezclando completamente los fluidos, siendo las torres de refrigeración uno de sus máximos exponentes. Sin embargo, este sistema puede implicar la transmisión de contaminantes entre los dos fluidos, lo que lo hace contraindicado para la mayoría de los sistemas de refrigeración, recuperación de energía, tratamiento de gases, líquidos y sólidos a granel. En estos casos, donde es necesario mantener los dos fluidos separados, se utiliza un sistema de contacto indirecto. Esta construcción dispone de un elemento, generalmente placas o tubos, que actúan como pared y mantienen los dos fluidos separados.

Dentro de los intercambiadores de contacto indirecto, existe un caso especial: los recuperadores de calor rotativos, donde los dos fluidos recorren el mismo espacio, pero de manera alternada, lo que podría provocar una ligera mezcla, aunque esta se considera prácticamente inapreciable.

Focalizando en las dos principales familias del contacto indirecto, la de placas y la de tubos, en términos generales, podemos afirmar que para la misma potencia, las placas logran un alto coeficiente de transferencia de calor en un espacio muy compacto, pero reducen la superficie de paso de los fluidos, haciéndolos más susceptibles a la suciedad.

Por otro lado, los tubos ofrecen una superficie de paso más amplia, haciéndolos muy recomendables en ambientes sucios, polvorientos, con fluidos pegajosos, viscosos o incluso con sedimentos. Es más difícil que se obstruyan y, por lo tanto, también aportan una reducción en el costo de mantenimiento y limpieza.

Intercambiador de calor de tubos

Los intercambiadores de calor de tubos están formados por tubos cilíndricos, planos u ovalados, cuya concepción se selecciona en función de las particularidades de cada sistema. Dentro de esta familia encontramos:

Intercambiadores de calor de tubos lisos. Como disponen de una superficie de intercambio muy similar tanto en el interior como en el exterior de los tubos, es una construcción muy habitual cuando se trabaja con fluidos que tienen valores de calor específico similares. Así, en aplicaciones entre dos flujos de aire podemos hablar de los clásicos intercambiadores de tubos lisos, mientras que en aplicaciones con agua, lodo, leche o jugos podemos hablar de intercambiadores tubulares, multitubulares, pirotubulares, coaxiales o de doble tubo, así como de carcasa y tubo.
Intercambiadores de tubos con aletas. Están especialmente diseñados para compensar la transferencia de energía entre dos fluidos con valores de calor específico diferentes. Es una situación habitual en sistemas donde se trabaja con un flujo de gas y otros fluidos como agua sobrecalentada, aceite térmico, refrigerante (amoníaco, R134, R410a, etc.) o vapor. Por ejemplo, el calor específico del gas es de aproximadamente 1,214 kJ/m³·K, mientras que el calor específico del agua es de 4,186 kJ/m³·K. Esto implica que el agua puede ceder casi cuatro veces más calor de lo que el aire puede absorber, y la forma de corregirlo es aumentando la superficie de intercambio del lado del aire mediante elementos llamados aletas, que pueden ser láminas continuas transversales a los tubos o láminas helicoidales enrolladas en los tubos.

Intercambiador de calor de placas

Los intercambiadores de calor de placas están formados por placas planas o corrugadas. Dentro de esta categoría encontramos construcciones para diferentes aplicaciones:

Intercambiador de placas pillow. Tecnología emergente, muy versátil y eficiente, con una superficie en forma de cojín que le da el nombre de «pillow». Su diseño permite no solo manejar fluidos viscosos, pegajosos y con sedimentos, sino que también puede utilizarse para transferir energía a sólidos granulados, convirtiéndose en una excelente alternativa a los lechos fluidizados. Esto reduce el consumo energético, minimiza el desperdicio, disminuye la contaminación ambiental y, al aplicar la energía de manera uniforme, mejora la calidad del producto final.
Intercambiador de flujo cruzado. Sistema de placas muy utilizado en la recuperación energética en ámbitos como la climatización, integrándose directamente en unidades de tratamiento de aire. Son un excelente sistema para lograr altos valores de eficiencia, pero requieren filtros de aire avanzados, ya que su forma compacta dificulta la limpieza.
Intercambiador de placas soldadas. Las placas se unen mediante soldadura, lo que impide la limpieza interior y limita su uso a instalaciones sin riesgo de suciedad.
Intercambiadores de placas y juntas. El sistema de juntas permite desmontar, limpiar y reemplazar las placas. Esto les otorga más versatilidad que los intercambiadores soldados, pero los canales por donde circulan los fluidos siguen siendo muy pequeños y pueden obstruirse con facilidad, lo que los hace inadecuados para fluidos viscosos, pegajosos o con sedimentos.

Clasificación por funcionamiento

Los intercambiadores de calor están diseñados para transferir energía de manera óptima. Para maximizar su eficiencia, es esencial considerar el tipo de fluidos y sus propiedades. Un ejemplo es el caso mencionado anteriormente, en el que el intercambio de calor se da entre un gas con un calor específico de 1,214 kJ/m³·K y el agua con un calor específico de 4,186 kJ/m³·K. De manera similar, encontramos:

Intercambiadores líquido-líquido. Incluyen los de placas pillow, placas soldadas, placas y juntas, tubos concéntricos, tubos coaxiales y pirotubulares.
Intercambiadores líquido-gas. Comprenden tubos lisos, tubos con aletas continuas y tubos con aletas helicoidales.
Intercambiadores gas-gas. Incluyen los multitubulares, los de tubos lisos y los de flujo cruzado.
Intercambiadores para sólidos a granel. Utilizan la tecnología Pillow Plate.

Pequeños detalles constructivos pueden aumentar o disminuir las turbulencias, incrementando los coeficientes de intercambio y generando diferencias sustanciales entre un proveedor y otro. Es por ello que la inversión en I+D se ha convertido en un factor clave en la evolución de este sector, cada vez más reconocido por su contribución en términos de eficiencia, ahorro y sostenibilidad.