Intercambiador de calor de placas

Un intercambiador de calor de placas é un tipo de intercambiador de calor que utiliza pratos de metal para transferir calor entre dous fluídos. Isto ten unha vantaxe importante sobre un intercambiador de calor convencional, a cal é que o fluído é exposto a unha área de intercambio maior porque o fluído esténdese entre os pratos. Isto facilita a transferencia de calor, e ademais aumenta a velocidade do cambio de temperatura, o que fai que estes intercambiadores sexan os máis eficientes. A outra vantaxe que poderiamos destacar destes intercambiadores é que podemos modificar a área de transmisión de calor, engadindo ou quitando pratos. Os intercambiadores de calor de placas son agora comúns en diferentes áreas industriais e de tratamento de augas. Os intercambiadores de calor de placas pequenos tiveron un impacto grande no ámbito da calefacción doméstica e de quentar a auga.

O concepto detrás dun intercambiador de calor é o uso de tubos ou outros recipientes de contención para quentar ou arrefriar un fluído por transferencia de calor entre un fluído e outro. Na maioría de casos, o intercambiador consiste dun serpentín que contén un fluído que pasa por un compartimento que contén o outro fluído. As paredes do tubo están normalmente feitas de metal, ou outra substancia cunha condutividade térmica alta, para facilitar o intercambio de calor, mentres que a carcasa exterior do serpentín máis grande está feita dun plástico ou un cuberto con insulación térmica, para diminuír a calor perdida dende o intercambiador.

O primeiro intercambiador de calor de placas que foi viablemente comercializado foi inventado por Richard Seligman en 1923 e revolucionou completamente os método de calefacción indirecta e arrefriado de fluídos. Richard Seligman fundou APV en 1910, un especialista fabricando recipientes destinados á cervexaría e ao comercio de aceite vexetal. Tamén comezou a comercialización de pequenos intercambiadores de placas deseñados por ordenador a través de todo o mundo.

Deseño de intercambiadores de calor de placas

Esquema dun intercambiador de calor de placas

Un prato individual para un intercambiador de calor de placas

Os intercambiadores de calor de placas teñen un deseño especializado en transferir calor entre fluídos a media e baixa presión. Algúns intercambiadores de placas especializados poden traballar con fluídos a altas presións, pero nestes intercambiadores en xeral o máis común é traballar a media ou alta presión. O aceiro inoxidábel é o metal xeralmente utilizado para os pratos debido á súa habilidade de resistir temperaturas altas e a reducida corrosión.

Os pratos están a miúdo separados por unha goma que está pegada arredor do bordo dos pratos. O grosor dos pratos que compoñen o intercambiador xeralmente oscila entre 0,5 mm e 3 mm. A separación entre pratos adoita oscilar entre os 1,5 mm e 5 mm. Para un prato, a división da súa lonxitude entre o seu ancho debe oscilar entre 2 e 3. Ademais, a área de superficie dun prato estará entre 0,03 m2 e 1,5 m². Os pratos producen unha área de superficie extremadamente grande, o cal permite que haxa unha transferencia de calor máis rápida. Ademais, a maior parte do fluído que circula entre os pratos estará en contacto coa parede, o que producirá un fluxo turbulento e maximizará o intercambio de calor. Nestes intercambiadores un gran grao de turbulencia pode ser obtido a caudais baixos, así como un coeficiente de transmisión de calor alto polo tanto.

Comparando un intercambiador de placas cun intercambiador de carcasa e tubos, os intercambiadores de placas adoitan ser máis compactos ca os intercambiadores de carcasa e tubos. Porén, os intercambiadores de placas non poden traballar a unha gran variedade de presións, estes están moi restrinxidos, mentres que os intercambiadores de carcasa e tubos non teñen este problema. A gran vantaxe dos intercambiadores de placas respecto aos de carcasa e tubos é que nestes pódese modificar a área de intercambio de calor engadindo ou quitando pratos, mentres que nun intercambiador de calor de carcasa e tubos esta área permanece constante.

Avaliando intercambiadores de calor de placas

Intercambiador de placas desmontando, cos pratos e a goma que os separa visibles

Todos os intercambiadores de calor de placas parecen similares no exterior. A maioría das diferenzas quedan no interior, nos detalles do deseño dos pratos e as tecnoloxías utilizadas para selar os pratos. Por iso, cando se avalía un intercambiador de calor de placas, é moi importante non só explorar os detalles exteriores do produto, mais tamén analizar o desenvolvemento levado a cabo polo fabricante.

Hai moitos tipos diferentes de modificacións para aumentar a eficiencia dun intercambiador de calor que é extremadamente dubidoso que algún deles sexa apoiado por un simulador comercial. Ademais, algunhas propiedades do intercambiador nunca serán reveladas polo fabricante. O obxectivo principal nun intercambiador de calor sería obter a máxima eficiencia posible, para iso hai que avaliar múltiples factores tales como o factor de ensuciamento, á seguridade ou á confianza que dea o intercambiador.

Unha limpieza periódica do intercambiador tamén é altamente necesaria, é o método máis eficiente para eliminar todos os desfeitos e a terra que co tempo reducen a eficiencia do intercambiador. Isto require que ambos lados do intercambiador sexan limpados, seguido dun illamento do fluído no sistema. O intercambiador débese lavar con auga ata que o fluxo desta saia completamente limpo. O fluxo de auga debe ser no sentido contrario á dirección regular do fluído para un mellor resultado. Logo, procedarase a pasar unha disolución cun axente limpador compatible co intercambiador para obter unha boa limpeza. E por último, procederase a limpar con auga de novo.

Ecuación de transferencia da calor

O fluxo de calor total entre o fluído quente e o fluído frío nun intercambiador de calor de placas vén expresado como: Q = U·A·∆Tm , onde U é o coeficiente global de transmisión de calor, A é a área total dun prato, e ∆Tm é a diferenza de temperaturas media logarítmica. U depende dos coeficientes de convección dos fluídos quente e frío. Esta será a ecuación principal para o deseño do intercambiador, onde o coeficiente global de transmisión de calor sempre adoita xogar un papel moi importante.

Referencias

1. "Plate Heat Exchangers". Techtrans Engineers. 19 February 2022.
2. Hewitt, G (1994). Process Heat Transfer. CRC Press.
3. Wang, J.Y. (2011). "Theory of flow distribution in manifolds". Chemical Engineering J. 168 (3): 1331–1345. doi:10.1016/j.cej.2011.02.050
4. Bassiouny, M.K.; Martin, H. (1984). "Flow distribution and pressure drop in plate heat exchanges. Part I. U-Type arrangement". Chem. Eng. Sci. 39 (4): 693–700. doi:10.1016/0009-2509(84)80176-1.
5. Bassiouny, M.K.; Martin, H. (1984). "Flow distribution and pressure drop in plate heat exchanges. Part II. Z-Type arrangement". Chem. Eng. Sci. 39 (4): 701–704. doi:10.1016/0009-2509(84)80177-3.
6. Wang, J.Y. (2008). "Pressure drop and flow distribution in parallel-channel of configurations of fuel cell stacks: U-type arrangement". International Journal of Hydrogen Energy. 33 (21): 6339–6350. doi:10.1016/j.ijhydene.2008.08.020.
7. Wang, J.Y. (2010). "Pressure drop and flow distribution in parallel-channel of configurations of fuel cell stacks: Z-type arrangement". International Journal of Hydrogen Energy. 35 (11): 5498–5509. doi:10.1016/j.ijhydene.2010.02.131.

Véxase tamén

Bibliografía

• Sadik Kakac e Hongtan Liu (March 2002). Heat Exchangers: Selection, Rating and Thermal Design (2nd ed.). CRC Press. ISBN 978-0-8493-0902-1. 
• T. Kuppan (February 2000). Heat Exchanger Design Handbook (1st ed.). CRC Press. ISBN 978-0-8247-9787-4. 
• J. M. Coulson and J. F. Richardson (1999). Coulson & Richarson's Chemical Engineering Volume 1 (6th ed.). Butterworth Heinemann. ISBN 978-0-7506-4444-0.