Pese haber sido introducidos en la industria ya hace más de setenta años, estos equipos constituyen un ejemplo claro del desarrollo de productos y de mercado. La innovación permanente que han tenido posibilitó incorporar de manera continua nuevas aplicaciones a las distintas necesidades existentes en el campo tanto industrial, comercial como doméstico. Existen varios diseños de intercambiadores de placas, pero son dos las construcciones básicas más difundidas, a saber:
•Intercambiador de placas con juntas, designado PHE (Plate heat exchangers)
•Intercambiador de placas soldadas, designado BHE (Brazed heat exchangers).
Ambas diseños se conocen indistintamente como intercambiadores compactos Los PHE consisten en un conjunto de placas metálicas corrugadas montadas entre dos placas, una fija (bastidor) y otra móvil (de presión). Este paquete de placas a su vez, es soportado por dos barras guía, una superior y otra inferior que apoyan sobre una columna o pedestal. El sellado entre placas se efectúa mediante juntas elastoméricas quienes a su vez dirigen los fluidos por canales alternos. Las placas contienen orificios que permiten y dirigen el flujo de los fluidos. El conjunto de placas es comprimido mediante espárragos que aseguran el apriete y estanqueidad entre las mismas. Las conexiones de entrada y salida se localizan en la placa fija del bastidor salvo en el caso de que haya más de un paso, donde se utilizan ambas placas del bastidor
Los PHE son llamados también intercambiadores de placas y marcos (Plate and Frame) por su similitud constructiva con los filtros prensas. La figura N°1 muestra un esquema típico del equipo.
En el caso de los BHE, las placas están soldadas entre sí y conectadas a dos placas finales de apoyo, no existiendo en ellos las juntas ni los elementos de soporte y apriete. Las placas en estos equipos son soldadas entre sí con cobre o níquel 99% en un horno al vacío y forman una unidad compacta resistente a la presión. Este diseño ha sido concebido para las aplicaciones de alta presióny temperatura de trabajo y presentan la ventaja de poder ser montados directamente sobre las cañerías La cantidad, tamaño, material y configuración geométrica de las placas dependerá de las características del proceso, esto es, del caudal, propiedades físicoquímicas de los fluidos, temperaturas y pérdida de presión requeridas. La figura N°2 muestra un equipo armado en conjunto.
Figura N°2 – PHE armado
Construcción de los intercambiadores
La construcción de los intercambiadores está determinada principalmente por las características de las placas y en el caso de los PHE también por las propiedades de sus juntas 1. Materiales y dimensiones de las placas Las placas constituyen el alma del equipo y tanto la selección de materiales como el diseño, tamaño y cantidad de las mismas dependerá de las condiciones del servicio requerido. Las placas en general presentan un diseño en forma de “ tabla de lavar “ que reconoce cinco segmentos funcionales, a saber:
•Segmento de ingreso del fluido en la parte superior (Inlet port)
•Segmento de distribución del fluido
•Segmento o área principal de transferencia de calor
•Segmento colector de fluído
•Segmento de egreso del fluido (outlet port)
Los materiales de construcción de las placas en los PHE pueden ser de los siguientes materiales: •Aceros inoxidables austeníticos, tipo AISI 304, 316, 318, 312 (aplicaciones generales)
•Titanio, Titanio Paladio
•Niquel
•Hasteloy
•Grafito Diabon F100 / NS1 (servicios muy corrosivos)
En los intercambiadores soldados las placas son únicamente de acero inoxidable AISI 316 Las placas pueden construirse en diferentes medidas y espesores, variando entre las siguientes dimensiones:
•Espesores de placas: 0.5 a 1.2 mm
•Area de intercambio por placa: 0.032 a 3.4 m2
•Area de intercambio por unidad: 0.1 a 2200 m2 . En los BHE máx (70 m2)
•Espaciado entre canales: 1.6 a 5.5 mm
•Dimensiones placas: ancho (0.2 a 1.5 m) y alto (0.5 a 3 m)
•Dimensiones por unidad: 0.5 a 6 m
•Dimensiones de las conexiones: 1” a 18”. En los BHE máx (4”)
•Tipo de conexiones: roscadas, socket, bridadas o Victaulic
2. Diseño de las placas El diseño de estos elementos está directamente relacionado con las características de la aplicación buscada, esto es, su configuración dependerá de:
•Tipo y propiedades de los fluidos que intercambian calor (líquidos, gases, vapores, emulsiones, viscosidad, presencia de partículas o fibras, corrosivos, fouling, etc)
•Servicio buscado, calentamiento, enfriamiento, evaporación, condensación, etc. •Caudales manejados, tiempos de retención y pérdidas de presión permitidas
El diseño corrugado de las placas crea conductos a través de los cuales circulan los fluidos en capas de muy bajo espesor y con gran turbulencia, lo que origina una alta transferencia de calor. Este escurrimiento turbulento a través de las placas hace también que los depósitos causados por fluidos sucios sean continuamente removidos de la superficie de transferencia durante la operación, lo que se traduce en un mayor coeficiente total de transferencia y en un mayor tiempo de trabajo del equipo sin necesidad de pararlo para limpieza.
La corrugación de las placas provoca turbulencia aún en flujo laminar con números de Reynolds tan bajos como Re: 10 a 500, hecho que un intercambiador de casco y tubos sería imposible
El flujo turbulento producido por las corrugaciones rompe la película límite adherida a la superficie de transferencia dando altos coeficientes de convección y un bajo nivel de ensuciamiento.
La elevada transferencia térmica en estos equipos no está dada solamente por el escurrimiento turbulento sino también por los bajos espesores de película a través de las cuales se transmite el calor. Así, mientras en los intercambiadores de placas la distancia media entre ellas puede variar entre 1.6 a 5.5 mm; en los intercambiadores de casco y tubos esta distancia media podrá variar entre 12.5 y 38 mm ( tubos de ½ a 1 ½ “)
Dependiendo de la transferencia de calor requerida y de las pérdidas de presión necesarias para lograrla, la geometría de las placas puede variar ampliamente. De esta forma encontraremos placas llamadas softque se caracterizan por tener bajos coeficientes de transferencia y pequeñas pérdidas de carga y las placas llamadas hardque inversamente darán los coeficientes de transmisión más altos con mayores pérdidas por fricción. Estas últimas son de una geometría más complejas pues son más largas y estrechas y tienen corrugaciones más profundas. También tienen una menor separación entre placas. Las placas soft en cambio, son más cortas y anchas
Las placas soft en general tienen un diseño en ángulo agudo (chevrons) que ofrece menor resistencia al flujo de fluidos, en tanto que las placas hard presentan corrugaciones en ángulo obtuso que conducen a mayores pérdidas de carga. Combinando diferentes diseños de canales se podrán cubrir diferentes tipos de servicios. Las placas del tipo hard tienen corrugaciones transversales o diagonales a la dirección del flujo, lo que origina mayor turbulencia y transferencia térmica. Las placas soft inversamente tienen ondulaciones en la dirección del flujo, lo que provocará menos turbulencia y transferencia de calor
Como veremos más adelante, la aptitud o perfomance de las distintas configuraciones geométricas de las placas para transferir calor quedan expresadas por el llamado Número de Unidades de Transferencia de Calor (NTU- Number Transfer Units). Así veremos que las placas antes definidas como soft y hard podrán ser caracterizadas por su correspondiente NTU
El número de unidades de transferencia de calor NTU se define como: NTU = ( t1– t2) /∆ ∆∆ ∆tm Donde:t1 y t2 representan las temperaturas de entrada y salida de la placa en °C ∆ ∆∆ ∆tm: es la diferencia logarítmica media de temperaturas entre una placa y su adyacente, °C Una de las ventajas que ofrecen estos equipos es que en virtud de las diferentes geometrías de placas existentes es posible efectuar combinaciones entre ellas para optimizar el proceso térmico. De esta forma al mezclar placas con distintos ángulos y separaciones se permite satisfacer distintos requerimientos mediante configuraciones de único paso, lo que simplifica las conexiones y el mantenimiento del equipo. La figura N°3 muestra distintas configuraciones de placas indicando aquellas con alto y bajo NTU
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