Intercambiadores de calor

Los intercambiadores de calor controlan los intercambios de temperatura entre dos fluidos (líquido o gas) en un espacio o un sistema. Los intercambiadores de calor funcionan facilitando la transferencia de calor para lograr el equilibrio; por ejemplo, para calentar una habitación con un radiador, éste se calienta y transfiere ese calor al ambiente circundante calentando el aire frío. Este artículo también describe distintos tipos de intercambiadores de calor, sus aplicaciones típicas y sus ventajas e inconvenientes.

Índice de contenidos

• ¿Qué es un intercambiador de calor?
• Tipos de intercambiadores de calor
• Intercambiadores de calor con diseño de serpentín
• Intercambiadores de calor de placas
• Otros tipos de intercambiadores de calor
• Tabla resumen de intercambiadores de calor
• Preguntas frecuentes

¿Qué es un intercambiador de calor?

Un intercambiador de calor es un dispositivo que transfiere energía térmica. Dos fluidos (gas o líquido) circulan por el intercambiador de calor; uno está más caliente que el otro. La energía térmica tiene una tendencia natural hacia el equilibrio, por lo que la energía térmica del fluido más caliente se desplaza hacia el fluido más frío. El fluido más caliente se enfría y el más frío se calienta.

Los intercambiadores de calor transfieren el calor mediante tres métodos: conducción, convección y radiación:

• Conducción: Cuando dos objetos de temperaturas diferentes se tocan físicamente, la energía calorífica se desplaza de la parte alta a la baja. Por ejemplo, una olla de sopa caliente calentará la superficie de la mesa sobre la que esté. En la industria, aparatos como los enfriadores de procesos, los hornos y las unidades de refrigeración utilizan la conducción.
• Convección: La convección se produce cuando un fluido arrastra la energía térmica de otro fluido. Soplar una taza de café caliente para enfriarla utiliza la convección. Los hornos de convección industriales utilizan la convección para hacer circular aire caliente para calentar, secar y hornear material.
• Radiación: La radiación se produce cuando un objeto emite ondas electromagnéticas. Los objetos más calientes emiten más radiación. El ejemplo más evidente es el Sol.

Obtenga más información en nuestra descripción general del artículo transferencia de calor a base de agua en sistemas HVAC.

Tipos de intercambiadores de calor

La mayoría de los intercambiadores de calor tienen un diseño de serpentín o de placas.

• Bobina: Los tubos rectos o curvos llevan un fluido en su interior. La conducción transfiere la temperatura del fluido desde el interior del tubo a la pared exterior del mismo. Un segundo fluido de temperatura opuesta transporta el calor y lo calienta o enfría. Tomando como ejemplo la figura 2, muchos intercambiadores de calor de serpentín tienen aletas fijadas al serpentín para aumentar la superficie de intercambio de calor.
• Placa: El diseño de placas utiliza la conducción a través de placas finas para transferir calor de un fluido caliente a otro más frío. Los dos fluidos suelen desplazarse por el dispositivo en direcciones opuestas para aumentar la eficacia de la transferencia. Los intercambiadores de calor de placas son adecuados para conectar edificios a centros urbanos de calor y frío y conectar elementos de un sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado.

Intercambiadores de calor con diseño de serpentín

Intercambiador de calor de serpentín de tubos aletados

Un intercambiador de calor de serpentín de tubos con aletas tiene tubos en espiral conectados por largas y delgadas piezas de metal llamadas aletas. El calor de los tubos pasa a las aletas, lo que aumenta la superficie con la que interactúa un fluido más frío para evacuar el calor por convección. Como se ve en la figura 2, un ejemplo común es la bobina de tubo con aletas de la parte trasera de un frigorífico. El calor extraído de la nevera para mantenerla fría se desplaza a través de los tubos. El aire detrás del frigorífico aleja el calor de los tubos y las aletas.

Los intercambiadores de calor de serpentín de tubos aletados también se encuentran en:

• Sistemas de conductos
• Unidades fan coil
• Unidades de tratamiento de aire
• Evaporadores y condensadores de aire acondicionado
• Calentadores de zanja

Calentador de zanja

Como se ve en la figura 3, la instalación de un calentador de zanja suele hacerse en el suelo alrededor del perímetro interior de un edificio, especialmente bajo las ventanas. Los calefactores de zanja utilizan un diseño de serpentín de tubo con aletas para evitar la pérdida de calor del suelo y la condensación en las ventanas. El agua caliente fluye por el tubo del calentador de zanja. El calor del calentador de zanja se transfiere al aire frío cerca del suelo. Este aire caliente asciende y es sustituido por aire más frío, creando un ciclo de convección para calentar el espacio.

Calefactor eléctrico de conductos

Un intercambiador de calor eléctrico de conductos utiliza bobinas muy resistentes que generan calor. El aire que circula por el conducto aleja el aire caliente de las bobinas. Estos intercambiadores de calor también son aplicables en hornos y fan coils. Debido a su elevado calor, los intercambiadores eléctricos de conductos sólo son adecuados para espacios en los que no se pueda acceder accidentalmente al intercambiador.

Intercambiador de calor de microcanales

Un intercambiador de calor de microcanales es una mejora del diseño de la batería de tubos con aletas. En un intercambiador de microcanales hay más aletas, que están mucho más juntas. Algunos diseños tienen menos de 1 mm de distancia entre aletas. Este diseño aumenta considerablemente la superficie sobre la que pasa un fluido frío, transfiriendo el calor a otra parte.

La mayor parte de la transferencia de calor por convección procede de las aletas del intercambiador, que reciben el calor de los tubos por conducción. La transferencia de calor por los tubos es mucho menos eficaz que por las aletas.

Los intercambiadores de calor de microcanales sólo utilizan refrigerante y son aplicables en:

• Secadores de aire
• Unidades condensadoras
• Unidades residenciales de aire acondicionado
• Enfriadoras refrigeradas por aire

Evaporador del horno

La bobina del evaporador de un horno funciona con una unidad de aire acondicionado. Tiene el mismo principio de funcionamiento que un intercambiador de calor de serpentín de tubos con aletas. Una batería evaporadora es más aplicable para grandes casas o pequeños edificios comerciales para enfriar el aire en un espacio. El refrigerante frío circula por los tubos de la batería del evaporador y el aire caliente del aparato de aire acondicionado pasa por encima de los tubos. El aire de la unidad se enfría y vuelve a los conductos del edificio. El refrigerante del tubo se calienta lo suficiente como para evaporarse y fluye hacia un compresor.

Radiator

Los radiadores (figura 5) son habituales en Norteamérica y Europa. Las válvulas de zona controlan el flujo de agua caliente hacia la parte superior del radiador a través de un tubo estrecho. El agua fluye hacia abajo a través de múltiples tubos verticales a lo ancho del radiador. Estos tubos son más anchos que el tubo de entrada, lo que ralentiza el flujo para aumentar la eficacia de la transferencia de calor. Por conducción, el radiador calienta el aire circundante. El aire alrededor del radiador se aleja, dejando espacio para que el aire más frío fluya hacia el radiador. Esto crea una corriente de convección que calienta la habitación en la que se encuentra el radiador.

Elemento calefactor de agua

Un calentador de agua utiliza electricidad o gas para generar calor y calentar el agua de un depósito. El agua que rodea el elemento se calienta por conducción y asciende. El agua más fría sustituye al agua más caliente, lo que crea una corriente de convección dentro del depósito. Los elementos calefactores de agua se aplican a aparatos como lavadoras (Figura 6), calentadores de agua y balsas abiertas de torres de refrigeración.

Boiler

Una caldera utiliza gas, petróleo o carbón para calentar agua o transformarla en vapor. El agua circula por los radiadores (véase la sección de radiadores) conectados a la caldera. Cuando el agua del sistema se enfría, vuelve a la caldera para reiniciar el proceso.

Viga refrigerada

Un intercambiador de calor de viga fría tiene un diseño de batería de tubos aleteados y se suspende del techo. Agua fría fluyendo por los tubos de la viga fría. El aire caliente cerca de la viga fría transfiere energía a los tubos, que enfrían el aire y crean una corriente de convección para enfriar un espacio. Existen dos tipos: viga fría pasiva y viga fría activa.

• Pasivo: Una viga fría pasiva no utiliza ventilador para hacer circular el aire.
• Activa: Una viga fría activa tiene toberas que canalizan el aire a través de los tubos fríos. Las vigas frías activas enfrían los espacios de forma más eficiente.

Calentador de horno

El funcionamiento de un horno es similar al de una caldera. Sin embargo, difunde aire caliente por un espacio en lugar de enviar agua caliente o vapor a los radiadores. Un horno típico tiene una llama de gas que calienta un intercambiador de calor, el cual calienta el aire dentro del horno. El ventilador que mueve el aire frío del sistema de conductos del edificio al horno también mueve el aire caliente del horno a través del sistema de conductos. A medida que el aire caliente llena un espacio, el aire más frío se desplaza a un conducto de retorno, que va al horno para calentarse.

Intercambiador de calor de carcasa y tubos

Un intercambiador de calor de carcasa y tubos tiene una gran carcasa cilíndrica (figura 8, letra A) con tubos (figura 8, letra B), o nido de tubos, en su interior. El fluido que fluye a través de la carcasa es fluido del lado de la carcasa, y el fluido de los tubos es fluido del lado de los tubos. Como se ve en la figura 8, los tubos discurren en línea recta desde la entrada hasta la salida. Otros diseños de carcasa y tubo tienen tubos doblados en forma de U una o más veces. Los tubos doblados permiten que el fluido de los tubos realice múltiples pasadas a través de la carcasa. Los deflectores (Figura 8 etiquetada E) en el interior de la carcasa obligan al fluido del lado de la carcasa a fluir a través de toda la carcasa para obtener la máxima eficiencia en la transferencia de calor. Las láminas tubulares (Figura 8 etiquetada G) soportan los tubos en el armazón.

El fluido de los tubos calienta o enfría el de la carcasa, o viceversa, según la aplicación. Un ejemplo habitual en la industria petrolera es el del aceite caliente en la carcasa y el fluido frío en los tubos. El fluido frío que fluye desde la entrada del tubo (Figura 8 marcada con C) hasta la salida del tubo (Figura 8 marcada con F) enfría el aceite caliente que fluye desde la entrada de la carcasa (Figura 8 marcada con H) hasta la salida de la carcasa (Figura 8 marcada con D).

El funcionamiento de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos depende de su tipo de flujo:

• Contador: La figura 8 es un ejemplo de contraflujo. El fluido del lado de la carcasa y del lado del tubo que se mueve en direcciones opuestas es el más eficiente en la transferencia de calor.
• En paralelo: En un intercambiador de calor de carcasa y tubos de flujo paralelo, el fluido del lado de la carcasa y del lado del tubo entran por el mismo lado y se mueven en la misma dirección. El cambio de calor para cada fluido es proporcional.
• Cruz: Los dos fluidos fluyen perpendicularmente en un intercambiador de carcasa y tubos de flujo cruzado. Normalmente, los dos fluidos se encuentran en estados diferentes. Un ejemplo de ello es un condensador de vapor. El vapor caliente de la carcasa convierte el agua fría en vapor, que se absorbe en el suministro inicial de vapor.

Intercambiadores de calor de placas

Los intercambiadores de calor de placas conectan los edificios a las redes urbanas de refrigeración y calefacción. Estos intercambiadores de calor requieren menos espacio que otros intercambiadores de calor (por ejemplo, los de carcasa y tubos) que producen rendimientos de intercambio térmico similares. El intercambiador de calor de placas utiliza múltiples placas prensadas en una pila de placas mediante pernos de sujeción. Como se ve en la figura 9, los intercambiadores de calor de placas de juntas tienen juntas de goma que controlan el flujo del fluido sobre la placa (véase la sección del intercambiador de calor de placas de juntas más adelante). Las placas se apoyan en una barra guía para garantizar su correcta alineación. Por último, la pila de placas tiene una tapa fija y otra móvil. Los puertos de entrada y salida están en la tapa fija. La cubierta móvil permite retirar, añadir o mantener las placas con facilidad.

Otra característica importante del diseño del intercambiador de calor de placas son las ranuras en la superficie de cada placa. Los surcos desempeñan tres papeles esenciales:

• Superficie: Las ondulaciones aumentan la superficie de cada placa, lo que incrementa la tasa de transferencia de calor.
• Rigidez: Las ondulaciones aumentan la rigidez de cada placa, lo que permite fabricar placas más finas, que tienen una mayor tasa de transferencia de calor.
• Turbulencias: Las ondulaciones crean un flujo turbulento, lo que aumenta la velocidad de transferencia de calor y ayuda a evitar que el fluido se pegue a las placas.

Existen intercambiadores de placas de paso único y de paso múltiple. Con el paso único, los fluidos caliente y frío pasan una sola vez por la pila de placas. Con el paso múltiple, los fluidos pasan varias veces. Aunque el paso múltiple permite un control más preciso de la temperatura, también requiere que las entradas y salidas estén en lados opuestos de la pila de placas. Por lo tanto, los intercambiadores de calor de placas de un solo paso son más comunes porque son más fáciles de montar y desmontar.

Intercambiador de calor de placas con juntas

Los intercambiadores de calor de placas suelen utilizarse a contracorriente debido a su eficacia. Las juntas de cada placa alternan sus posiciones. Por ejemplo, si el fluido frío que entra en el intercambiador atraviesa la primera placa, la siguiente placa que atravesará será la tercera. El fluido caliente fluirá a través de la segunda y cuarta placas, y así sucesivamente.

Intercambiador de calor de placas soldadas

Los intercambiadores de calor de placas soldadas funcionan de forma similar a los intercambiadores de calor de placas con juntas. Las placas soldadas se unen utilizando un metal de relleno, como una fina lámina de cobre entre cada placa. Durante la fabricación, el intercambiador de calor de placas soldadas se calienta a una temperatura lo suficientemente alta como para fundir el cobre pero no las placas, que son de acero inoxidable. Las ventajas de una placa soldada sobre una placa de junta son que es menos probable que se produzcan fugas, son más compactas y son ligeramente más eficientes. Sin embargo, si se daña un intercambiador de calor de placas soldadas, es necesario sustituir toda la unidad.

Intercambiador de calor de placas soldadas

Un intercambiador de calor de placas soldadas tiene placas soldadas entre sí. La ventaja de este intercambiador de calor de placas sobre los demás es que puede funcionar a temperaturas y presiones más elevadas. Por lo tanto, los intercambiadores de calor de placas soldadas son los más adecuados para aplicaciones industriales.

Intercambiador de calor de microplacas

Los intercambiadores de calor de microplacas pueden ser de juntas o de soldadura fuerte. La principal ventaja de un intercambiador de calor de microplacas es el diseño ondulado de cada placa. Los intercambiadores de calor de placas tradicionales utilizan un diseño de espina de pescado o de cheurón, mientras que los intercambiadores de calor de microplacas utilizan muchos hoyuelos pequeños. Los hoyuelos permiten que el fluido se desplace sobre la placa de forma más uniforme y aumentan la turbulencia, lo que proporciona una transferencia de calor más eficaz.

Intercambiador de calor de placas por conductos

Un intercambiador de calor de placas canalizado forma parte de una unidad de tratamiento de aire que impulsa el aire acondicionado central. El diseño de este intercambiador de calor de placas utiliza el calor del aire de escape para garantizar que el aire fresco que entra en el espacio esté caliente en lugar de frío. El aire caliente de escape fluye a través de placas orientadas en diagonal a otras placas por las que circula aire frío fresco.

Intercambiador de calor de carcasa y placas

Un intercambiador de calor de carcasa y placas combina los principios de funcionamiento de un intercambiador de calor de carcasa y tubos con un intercambiador de calor de placas. Las placas del interior de la carcasa son circulares y tienen un orificio superior y otro inferior. Las placas se sueldan entre sí formando una pila de placas. El intercambiador de calor funciona con un flujo en contracorriente. El fluido caliente entra por el lado de la carcasa y fluye por encima y por debajo de las placas sin filtrarse en ellas. El fluido frío entra por el lado de las placas y fluye entre ellas.

Otros tipos de intercambiadores de calor

Intercambiador de calor de rueda giratoria

Un intercambiador de calor de rueda giratoria es similar a un intercambiador de calor de placas de conducto porque utiliza el aire de escape caliente para enfriar el aire fresco. El aire caliente de escape (figura 10 superior) calienta una parte de la superficie de la rueda. Esta superficie calentada gira hacia el canal de admisión (Figura 10 inferior) para calentar el aire fresco. Un motor y una correa impulsan la rotación de la rueda a través de dos canales.

Tubo de calor

Un calentador de agua solar (figura 11) es una aplicación habitual de los tubos de calor. Un tubo de calor individual tiene un tubo de vidrio que sella un tubo de cobre en su interior. El tubo de cobre se calienta bajo el Sol, y el tubo de cristal impide que el calor se escape. Una junta en el tubo de calor mantiene la mezcla de agua dentro del tubo a baja presión. Esto permite que la mezcla se vaporice en vapor a temperaturas más bajas. El vapor se desplaza a la parte superior de la tubería de calor, que se conecta a la tubería principal que sujeta todas las tuberías de calor del sistema. El calor de la parte superior de la tubería térmica se transfiere al agua fría que fluye por la tubería principal, calentando el agua.

Disipador de calor

Un disipador de calor tiene aletas largas y estrechas montadas sobre una base que se asienta cerca de una fuente de calor. El calor de la fuente pasa a la base del disipador y se disipa a través de las aletas. El aire o el líquido se mueven a través de las aletas del disipador para alejar el calor por convección. Como se ve en la figura 12, un ejemplo común es el disipador de calor de un procesador de ordenador.

Tabla resumen de intercambiadores de calor

Lea nuestros artículos sobre calefactores portátiles y suelo radiante para obtener más información sobre el funcionamiento de cada tipo.

Preguntas frecuentes

¿Qué tipo de intercambiador de calor es el más eficiente?

En general, los intercambiadores de calor de placas son más eficaces que los de serpentín. Sin embargo, el intercambiador de calor más eficiente para una aplicación depende de la aplicación.

¿Para qué sirve un intercambiador de calor?

Un intercambiador de calor utiliza un fluido caliente o frío para calentar o enfriar otro fluido. En muchas aplicaciones, esto permite controlar la temperatura sin mezclas indeseables de fluidos.

¿Cuáles son las ventajas de un intercambiador de calor?

La mayoría de los intercambiadores de calor no necesitan dispositivos adicionales para funcionar, como un compresor de aire.