Tipologies de bescanviadors de calor: classificació per construcció i funcionament
Guia enciclopèdica sobre les principals famílies de bescanviadors de calor: de la distinció entre contacte directe i indirecte fins a la classificació per parells de fluids. Base de referència per a enginyers, projectistes i responsables tècnics.
Existeixen moltes tipologies de bescanviadors de calor i múltiples maneres per classificar-los. En aquest article els classificarem en funció de dos criteris principals: la classificació per construcció —que determina la manera com els fluids interactuen i quin element constructiu fa la transferència— i la classificació per funcionament, que considera els parells de fluids implicats i les seves propietats físiques.
1. Classificació per construcció
1.1 Contacte directe
En els bescanviadors de contacte directe, els dos fluids es barregen completament durant la transferència d'energia. Les torres de refrigeració n'són l'exemple més representatiu.
La barreja dels fluids pot comportar la transmissió de contaminants d'un circuit a l'altre. Aquest fet el fa contraindicat en la gran majoria de sistemes de refrigeració de procés, recuperació d'energia, tractament de gasos, líquids alimentaris i sòlids a granel, on la separació de circuits és un requisit tècnic o sanitari.
1.2 Contacte indirecte
En els bescanviadors de contacte indirecte, els dos fluids romanen permanentment separats per un element físic —habitualment una placa metàl·lica o la paret d'un tub— que actua com a superfície de transferència tèrmica sense permetre cap mescla. Focalitzant en les dues famílies principals —tubs i plaques— podem establir la comparativa que segueix.
Dins dels bescanviadors per contacte indirecte hi ha un cas particular: els recuperadors de calor rotatius, on els dos fluids recorren el mateix espai però de manera alternada. Podria provocar teòricament una lleugera mescla, però en la pràctica industrial es considera pràcticament inapreciable.
| Característica | Bescanviadors de tubs | Bescanviadors de plaques |
|---|---|---|
| Compacitat | Menor compacitat per la mateixa potència | Alta compacitat: màxima superfície en volum mínim |
| Coeficient de transferència | Moderat, dependent del disseny de tubs i aletes | Elevat gràcies a la turbulència induïda per les corrugacions |
| Superfície de pas dels fluids | Àmplia, menys susceptible a l'embrutiment | Reduïda: canals estrets amb risc d'obstrucció |
| Fluids viscosos / amb sediments | Molt recomanat. Alta tolerància a partícules i viscositat | Contraindicat en fluids bruts, viscosos o enganxosos |
| Manteniment i neteja | Senzill. Difícilment s'obstrueixen, cost de manteniment baix | Més susceptible a incrustacions, neteja més freqüent |
| Entorns polsegosos / abrasius | Excel·lent comportament | Poc adequat |
| Aplicació preferent | Gas-gas, gas-líquid, líquid-líquid en condicions exigents | Líquid-líquid en circuits nets i controlats |
1.3 Bescanviadors de calor de tubs
Els bescanviadors de tubs estan formats per tubs cilíndrics, plans o ovals. La secció oval o plana augmenta la turbulència exterior i redueix la resistència aerodinàmica en aplicacions amb gas.
1.3.1 Bescanviadors de tubs llisos
Quan la superfície d'intercanvi interior i exterior és similar —fluids amb calors específics comparables— s'utilitzen tubs llisos. En aplicacions entre dos corrents de gas s'empren els bescanviadors multitubulars de tubs llisos. En aplicacions amb líquids s'utilitzen bescanviadors tubulars, multitubulars, pirotubulars, coaxials i els de carcassa i tub.
1.3.2 Bescanviadors de tubs i aletes
Quan els dos fluids presenten valors de calor específic molt diferents —situació habitual quan un fluid és un gas i l'altre és un líquid o vapor— la superfície d'intercanvi s'ha de compensar afegint aletes al costat del fluid amb menor calor específic.
El calor específic del gas (aire sec) és d'entorn 1,214 kJ/m³·K, mentre que el de l'aigua és de 4,186 kJ/m³·K. L'aigua pot cedir o absorbir gairebé 3,5 vegades més energia per unitat de volum que l'aire. Per compensar aquest desequilibri, s'incrementa la superfície del costat del gas afegint aletes.
Xapes continues perforades per on travessen els tubs perpendicularment. Distribueixen la superfície d'aleta de manera uniforme. Habituals en climatització industrial i recuperadors per a gasos d'escapament amb aire relativament net.
Xapes enrotllades en hèlix al voltant de cada tub. Major robustesa mecànica i resistència a vibracions. S'utilitzen amb gasos de combustió, fums industrials i corrents amb contingut de partícules.
1.4 Bescanviadors de calor de plaques
Els bescanviadors de plaques estan formats per plaques planes o corrugades que actuen simultàniament com a superfície d'intercanvi i com a element estructural del canal de flux.
Tecnologia emergent de gran polivalència. La superfície en forma de coixí permet treballar amb fluids viscosos, enganxosos i amb sediments, i transferir energia a sòlids granulats com a alternativa als llits fluiditzats: redueix el consum energètic, minimitza el rebuig i millora la qualitat del producte final.
Sistema de plaques en configuració de fluxos perpendiculars. Molt utilitzat en recuperació energètica de la climatització, integrat en centrals de tractament d'aire. Permet alts valors d'eficiència però requereix filtres d'aire avançats per la seva forma compacta.
Les plaques s'uneixen per soldadura formant un conjunt rígid sense juntes. Impedeix la neteja interior, de manera que només s'aplica amb fluids completament nets i sense risc d'incrustacions.
Les juntes d'estanquitat permeten desmuntar les plaques, netejar-les i substituir-les individualment. Major polivalència que el sistema soldat, però els canals continuen sent estrets i susceptibles d'obstrucció amb fluids viscosos o amb partícules.
2. Classificació per funcionament
La classificació per funcionament considera els parells de fluids implicats i les seves propietats físiques. La selecció correcta del tipus de bescanviador en funció dels fluids és essencial per maximitzar l'eficiència i garantir la fiabilitat de la instal·lació.
Plaques i juntes · Tubs concèntrics
Coaxials · Pirotubulars · Carcassa i tub
Tubs i aletes continues
Tubs i aletes helicoïdals
Recuperadors de calor
Flux creuat · Rotatius
Recuperadors de fums
(alternativa als llits fluiditzats)
2.1 Bescanviadors líquid–líquid
En aplicacions on ambdós fluids són líquids, els calors específics solen ser propers. La selecció entre famílies depèn principalment de la viscositat dels fluids, la presència de partícules en suspensió i les pressions de treball.
2.2 Bescanviadors líquid–gas
Aquesta és la situació on la diferència entre calors específics és més rellevant. El gas té un calor específic molt inferior al dels líquids habituals, fet que obliga a ampliar la superfície del costat del gas. Els bescanviadors de tubs i aletes i els recuperadors de calor per a gasos de combustió en són els principals representants.
2.3 Bescanviadors gas–gas
Quan ambdós fluids són gasos, els seus calors específics són similars. Però el baix coeficient de convecció del gas fa necessari incrementar la superfície total per assolir potències tèrmiques significatives. Els multitubulars, els de tubs llisos i els de flux creuat en són les solucions constructives principals.
2.4 Bescanviadors per a sòlids a granel
La transferència d'energia a sòlids granulats és un camp especialitzat on el bescanviador de plaques pillow ha emergit com l'alternativa de referència als llits fluiditzats convencionals.
- Reducció del consum energètic respecte als sistemes de llit fluiditzat tradicionals
- Menor rebuig del producte final gràcies a l'escalfament o refredament uniforme
- Reducció de la contaminació ambiental en eliminar o reduir la necessitat d'aire calent com a vector tèrmic
- Millora de la qualitat del producte per l'absència de gradients tèrmics elevats
3. Criteri de selecció i impacte del disseny
La selecció correcta no depèn exclusivament de la família constructiva o del parell de fluids. Petits detalls constructius —la geometria de les aletes, el pas dels tubs, l'angle de corrugació de les plaques— poden fer variar els coeficients d'intercanvi tèrmic de manera significativa. Això implica que un mateix tipus d'equip pot presentar diferències substancials de rendiment entre proveïdors.
La selecció definitiva requereix l'anàlisi conjunta de: fluids de procés (composició, viscositat, partícules, temperatura i pressió), requeriments de potència tèrmica i eficiència, limitacions dimensionals i de pes, condicions d'instal·lació i manteniment, i requisits normatius aplicables (PED, ATEX si escau). La inversió en I+D per part dels fabricants és un factor clau en l'evolució d'un sector reconegut per la seva contribució a l'eficiència energètica i la sostenibilitat industrial.