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Proveedor Auditado Los intercambiadores de calor son dispositivos utilizados para transferir energía entre dos fluidos a diferentes temperaturas. Mejoran la eficiencia energética, porque la energía que ya está dentro del sistema puede transferirse a otra parte del proceso, en lugar de ser bombeada y desperdiciada. En la nueva era de la sostenibilidad, la creciente urgencia de ahorrar energía y reducir los impactos ambientales generales ha puesto mayor énfasis en el uso de intercambiadores de calor con una mejor eficiencia térmica. En este nuevo escenario, el intercambiador de calor de placas puede desempeñar un papel importante.
Un intercambiador de calor de placas es un tipo compacto de intercambiador de calor que utiliza una serie de placas delgadas para transferir calor entre dos fluidos. Hay cuatro tipos principales de PHE: Con juntas, soldadas, soldadas y semi-soldadas. El intercambiador de calor de placas y bastidores o placas con juntas consta esencialmente de un paquete de placas rectangulares delgadas selladas alrededor de los bordes por juntas y mantenidas juntas en un marco. Los intercambiadores de calor de placas se introdujeron por primera vez en 1923 para aplicaciones de pasteurización de leche, pero ahora se utilizan en muchas aplicaciones en la química, el petróleo, HVAC, refrigeración, lácteos, sectores farmacéutico, de bebidas, de alimentos líquidos y de atención de la salud. Esto se debe a las ventajas únicas de las PHE, como el diseño térmico flexible (las placas se pueden añadir o retirar simplemente para cumplir con diferentes requisitos de procesamiento o de trabajo térmico), la facilidad de limpieza para mantener condiciones de higiene estrictas, un buen control de la temperatura (necesario en aplicaciones criogénicas) y un mejor rendimiento de transferencia de calor.
| Modelo | Ángulo corrugado | Distancia al centro | Tamaño | Profundidad corrugada | DN | Limpieza | Tamaño de la férula (AN X AL) |
| RX0,08 | 120° | 416*86 | 497*168 | 3,0 | 50Inner | 20mm | 235*525 |
| M6-0,15 | 126° | 496*140 | 604*250 | 3,0 | DN50/DN65 | 25mm | 342*694 |
| RX0,16 | 120 | 565*155 | 665*248 | 3,6 | DN40/DN50 | 25mm | 320*710 |
| M6-1-0,19 | 126° | 639*140 | 750*250 | 3,0 | DN50/DN65 | 25mm | 342*842 |
| M6-2-0,25 | 126° | 886*140 | 1000*250 | 3,0 | DN50/DN65 | 25mm | 380*1104 |
| M6-2-0,25-SH | 126 | 886*140 | 1000*250 | 2 | DN50/DN65 | 25mm | 380*1104 |
| RX0,3 | 120 | 875*180 | 1000*303 | 3,6 | DN65 | 30mm | 400*1074 |
| RX1001-0,33 | 120° | 716*223 | 875*375 | 3,7 | DN80-DN100 | 30mm | 490*1126 |
| RX1002-0,46 | 1200 | 1058*223 | 1219*375 | 3,7 | DN80-DN100 | 30mm | 500*1478 |
| M10-S-0,33 | 57°121° | 720*223 | 875*375 | 4,0 | DN80-DN100 | 30mm | 490*1126 |
| M10-L-0,45 | 57°121 | 1047*223 | 1205*375 | 4,0 | DN80-DN100 | 30mm | 500*1478 |
| RX1502-0,61 | 120° | 1000*290 | 1219*500 | 3,7 | DN125-DN150 | 35mm | 610*1488 |
| RX1503-0,75 | 120° | 1280*290 | 1500*500 | 3,7 | DN125-DN150 | 35mm | 610*1769 |
| M15MD1-0,45 | 61°123° | 698*298 | 906*500 | 4,0 | DN125-DN150 | 35mm | 610*1153 |
| M15MD2-0,55 | 61°123° | 897*298 | 1105*500 | 4,0 | DN125-DN150 | 35mm | 610*1352 |
| M15MD3-0,70 | 61°123 | 1195*298 | 1403*500 | 4,0 | DN125-DN150 | 35mm | 500*1647 |
| M15M-0,75 | 61°123° | 1294*298 | 1502*500 | 4,0 | DN125-DN150 | 35mm | 610*1746 |
| M15BD-0,61 | 70°130° | 1012*298,5 | 1220*500 | 2,6 | DN125-DN150 | 35mm | 610*1448 |
| M15B-0,75 | 70°130° | 1294*298,5 | 1502*500 | 2,6 | DN125-DN150 | 35mm | 610*1746 |
| Modelo | Ángulo corrugado | Distancia al centro | Tamaño | Profundidad corrugada | DN | limpieza | Tamaño de la férula (AN X AL) |
| RX2001-0,75 | 120 | 970*345 | 1234*610 | 3,7 | DN200 | 40mm | 735*1576 |
| RX2002-1,08 | 120° | 1515*345 | 1778*610 | 3,7 | DN200 | 40mm | 735*2126 |
| M20MD-0,94 | 49132° | 1229*353 | 1500*625 | 4,0 | DN200 | 40mm | 736*1764 |
| M20M-1,1 | 49132° | 1479*353 | 1750*625 | 4,0 | DN200 | 40mm | 736*1994 |
| T20BD-0,96 | 70°126,5° | 1267,5*353 | 1540*625 | 2,0 | DN200 | 40mm | 756*1744 |
| T20B-1,1 | 70°126,5° | 1478*353 | 1750*625 | 2,0 | DN200 | 40mm | 756*1994 |
| RX2501-1,06 | 120° | 1096*436 | 1415*750 | 3,7 | DN250 | 45mm | 870*1765 |
| RX2502-1,33 | 120° | 1451*436 | 1772*750 | 3,7 | DN250 | 45mm | 870*1260 |
| MX25D1-1,0 | 56120,5° | 1013*439 | 2252*750 | 4,0 | DN250 | 45mm | |
| MX25D2-1,34 | 56120,5 | 1476*439 | 1789*750 | 4,0 | DN250 | 45mm | |
| MX25M-1,69 | 56120,5° | 1939*439 | 1326*750 | 4,0 | DN250 | 50mm | |
| MX25B-1,69 | 127,5 | 1939*439 | 2252*750 | 2,6 | DN250 | 50mm | |
| RX3002-1,55 | 120° | 1385*480 | 1772*868 | 3,7 | DN300 | 55mm | 1062*2132 |
| M30A-1,5 | 67°127° | 1085*596 | 1493*1000 | 3,4 | DN300-DN350 | 60mm | 1129*1860 |
| M30B-1,86 | 67°127 | 1446*596 | 1854*1000 | 3,4 | DN300-DN350 | 65mm | 1129*2200 |
| M30C-2,3 | 67127° | 1842*596 | 2250*1000 | 3,4 | DN300-DN350 | 70mm | 1129*2600 |
| TL35S-2,57 | 128 | 2178*578 | 2591*991 | 7,5 | DN300-DN350 | 80mm | 3000*1200 |
| T45A-2,6 | 60°118° | 1528*720 | 2060*1250 | 4,0 | DN400-DN450 | 80mm | 1430*2440 |
| T45B-3,2 | 60118° | 1998*720 | 2530*1250 | 4,0 | DN400-DN450 | 90mm | 1420*2970 |
Un PHE consiste en un paquete de placas rectangulares delgadas con portoles, a través de las cuales fluyen dos flujos de fluidos, donde se produce la transferencia de calor. Otros componentes son una placa de bastidor (placa fija), una placa de presión (placa móvil), barras superiores e inferiores y tornillos para comprimir el paquete de placas. Un intercambiador de calor de placas puede albergar hasta 700 placas. Cuando el paquete de placas se comprime, los orificios en las esquinas de las placas forman túneles o colectores continuos a través de los cuales pasan los fluidos, pasando por el paquete de placas y saliendo del equipo. Los espacios entre las placas finas del intercambiador de calor forman canales estrechos que se atraviesan alternativamente por fluidos calientes y fríos, y proporcionan poca resistencia a la transferencia de calor.
La parte más importante y más cara de un PHE son sus placas térmicas, que están hechas de metal, aleación de metal, o incluso materiales especiales de grafito, dependiendo de la aplicación. Acero inoxidable, titanio, níquel, aluminio, incoloy, hastelloy, monel y tantalum son algunos ejemplos que se encuentran comúnmente en aplicaciones industriales. Las placas pueden ser planas, pero en la mayoría de las aplicaciones tienen ondulaciones que ejercen una fuerte influencia en el rendimiento térmico-hidráulico del dispositivo. Algunos de los principales tipos de placas son , aunque la mayoría de las PHE modernas emplean tipos de placas de galón. Los canales formados entre las placas adyacentes imponen un movimiento de movimiento de movimiento a los fluidos. El ángulo de chevron se invierte en hojas adyacentes, de modo que cuando las placas se aprietan, las ondulaciones proporcionan numerosos puntos de contacto que soportan el equipo. El sellado de las placas se consigue mediante juntas colocadas en sus extremos. Las juntas son típicamente elastómeros moldeados, seleccionados en función de su compatibilidad de fluidos y condiciones de temperatura y presión. Se pueden implementar arreglos de múltiples pasos, dependiendo de la disposición de las juntas entre las placas. Los cauchos de butilo o nitrilo son los materiales que se utilizan generalmente en la fabricación de las juntas.
Esta sección presenta algunas de las principales ventajas y desventajas de un PHE, en comparación con los intercambiadores de calor de tubo y carcasa.
Ventajas
Flexibilidad: El desmontaje sencillo permite la adaptación de las PHE a los nuevos requisitos de proceso simplemente añadiendo o quitando placas, o reorganizando el número de pasadas. Además, la variedad de patrones de corrugaciones de placas disponibles, junto con la posibilidad de utilizar combinaciones de ellas en el mismo PHE, significa que varias conformaciones de la unidad pueden ser probadas durante los procedimientos de optimización.
Buen control de temperatura: Debido a los canales estrechos formados entre las placas adyacentes, solo un pequeño volumen de fluido está contenido en un PHE. Por lo tanto, el dispositivo responde rápidamente a los cambios en las condiciones del proceso, con tiempos de retraso cortos, de modo que las temperaturas se puedan controlar fácilmente. Esto es importante cuando se deben evitar las altas temperaturas. Además, la forma de los canales reduce la posibilidad de zonas estancadas (espacio muerto) y zonas de sobrecalentamiento.
Bajo costo de fabricación: Como las placas sólo se prensan (o se pegan) juntas, en lugar de soldarse, la producción de PHE puede ser relativamente barata. Se pueden utilizar materiales especiales para fabricar las placas con el fin de hacerlas más resistentes a la corrosión y/o a las reacciones químicas.
Transferencia de calor eficiente: Las ondulaciones de las placas y el pequeño diámetro hidráulico mejoran la formación de flujo turbulento, de modo que se puedan obtener altas tasas de transferencia de calor para los fluidos. Por consiguiente, hasta el 90% del calor puede recuperarse, en comparación con solo el 50% en el caso de intercambiadores de calor de tubos y conchas.
Compactibilidad: La alta eficacia térmica de las PHE significa que tienen una huella muy pequeña. Para la misma área de transferencia de calor, las PHE pueden ocupar a menudo un 80% menos de espacio en el suelo (a veces 10 veces menos), en comparación con los intercambiadores de calor de tubos y conchas
Desventajas
Limitaciones de temperatura y presión: Una limitación importante de las PHE está relacionada con las juntas de placa. Las presiones y temperaturas superiores a 25 atm y 160 °C, respectivamente, no se toleran porque pueden hacer que las juntas estándar goteen. Sin embargo, las juntas de materiales especiales pueden soportar temperaturas de hasta 400 °C, y es posible soldar o soldar las placas entre sí para funcionar en condiciones más severas. Esto tendría las ventajas adicionales de aumentar los límites operativos, así como la posibilidad de trabajar con líquidos corrosivos, porque eliminaría la necesidad de juntas. Sin embargo, el PHE perdería sus principales ventajas de flexibilidad y facilidad de limpieza, y el equipo se tornaría más caro.
Alta caída de presión: Debido a las placas corrugadas y el pequeño espacio de flujo entre ellas, la caída de presión debido a la fricción es alta, lo que aumenta los costos de bombeo. La caída de presión puede reducirse aumentando el número de conductos por pasada y dividiendo el flujo en un mayor número de canales. Esto disminuye la velocidad de flujo dentro del canal, reduciendo así el factor de fricción. Sin embargo, el coeficiente de transferencia de calor convectivo también se reduce, disminuyendo la eficacia del intercambiador de calor.
Cambio de fase: En casos especiales, las PHE pueden usarse en operaciones de condensación o evaporación, pero no se recomiendan para gases y vapores debido al espacio limitado dentro de los canales y limitaciones de presión.
Tipos de fluidos: No se recomienda el procesamiento de fluidos que son muy viscosos o contienen material fibroso debido a la alta caída de presión asociada y a los problemas de distribución del flujo dentro del PHE. También debe considerarse la compatibilidad entre el líquido y el material de la junta. Se deben evitar los fluidos altamente inflamables o tóxicos debido a la posibilidad de fugas.
Fuga: La fricción entre las placas metálicas puede causar desgaste y la formación de pequeños orificios difíciles de localizar. Como medida de precaución, se recomienda presurizar el líquido de proceso para que exista menos riesgo de contaminación en caso de fuga de una placa.
Los tipos más simples de arreglos de intercambiadores de calor de placas son aquellos en los que ambos fluidos hacen un solo paso, por lo que no hay cambio en la dirección de los flujos. Estos son conocidos como 1-1 arreglos de paso único, y hay dos tipos: Contracorriente y concurrente. Una gran ventaja de la disposición de un solo paso es que las entradas y salidas de fluido pueden instalarse en la placa fija, lo que facilita la apertura del equipo para el mantenimiento y la limpieza, sin alterar las tuberías. Este es el diseño de paso único más utilizado, conocido como el arreglo en U. También hay una disposición Z de una sola pasada, donde hay entrada y salida de fluidos a través de ambas placas de extremo
La metodología empleada para el diseño de un PHE es la misma que para el diseño de un intercambiador de calor tubular. Las ecuaciones que se indican en el presente capítulo son adecuadas para las placas tipo chevron que se utilizan en la mayoría de las aplicaciones industriales.
Las dimensiones principales de una placa en forma de galón se muestran en la Figura 14. El ángulo de corrugación, β, suele variar entre extremos de 25° y 65° y es en gran medida responsable de la caída de presión y la transferencia de calor en los canales.
La caída de presión es un parámetro importante que debe tenerse en cuenta en el diseño y optimización de un intercambiador de calor de placa. En cualquier proceso, debe mantenerse lo más cerca posible del valor de diseño, con un rango de tolerancia establecido de acuerdo con la potencia de bombeo disponible. En un PHE, la caída de presión es la suma de tres contribuciones:
Caída de presión en los canales de las placas corrugadas.
Caída de presión debido al cambio de elevación (debido a la gravedad).
Caída de presión asociada a los conductos de distribución.
La caída de presión en los colectores y puertos debe mantenerse lo más baja posible, porque es un desperdicio de energía, no influye en el proceso de transferencia de calor, y puede disminuir la uniformidad de la distribución de flujo en los canales. Se recomienda mantener esta pérdida por debajo del 10% de la caída de presión disponible, aunque en algunos casos puede exceder el 30%
En este capítulo se presentó el desarrollo de dos modelos para el diseño y optimización de intercambiadores de calor de placas. Ambos modelos matemáticos fueron utilizados para realizar las simulaciones de diseño del intercambiador de calor. Estos métodos utilizan ecuaciones diferenciales y ecuaciones de forma cerrada basadas en la noción de que un PHE de paso múltiple puede reducirse a un arreglo que consiste en ensamblajes de PHE de paso único.
Como estudio de caso, se utilizó un ejemplo obtenido de la literatura. Los conjuntos óptimos eran los mismos para ambos enfoques, y se logró un acuerdo entre los valores de efectividad. El modelo que utiliza ecuaciones algebraicas tiene la limitación de ser aplicable solamente a PHE lo suficientemente grandes como para no ser afectado por canales finales y canales entre pasadas adyacentes. Sin embargo, las PHE industriales generalmente poseen más de 40 placas térmicas. La principal ventaja de utilizar este modelo es su aplicabilidad general a cualquier configuración, sin tener que derivar una ecuación de forma cerrada específica para cada configuración. Sin embargo, su desventaja es la implementación altamente compleja del algoritmo de simulación, a diferencia del segundo enfoque, que es muy simple.
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