¿Para qué se utilizan los intercambiadores de calor?
Puedes ver intercambiadores de calor en todo tipo de lugares, normalmente para calentar o enfriar edificios o para ayudar a que los motores y las máquinas funcionen de forma más eficiente.Los frigoríficos y los aires acondicionados, por ejemplo, utilizan los intercambiadores de calor de forma opuesta a los sistemas de calefacción central: retiran el calor de un compartimento o sala donde no se desea y lo bombean en un fluido a otro lugar donde pueda ser expulsado. El fluido refrigerante está completamente sellado dentro de una red de tuberías, por lo que nunca entra en contacto con el aire: toma la energía térmica del aire interior y la vierte en el aire exterior, pero nunca se mezcla directamente con ese aire.
Foto: Una bomba de calor extrae el calor de un manantial geotérmico natural, utilizado para calentar los edificios del Hot Springs Lodge and Pool en Glenwood Springs, Colorado.El intercambiador es la placa cubierta de algas llena de tubos de cobre en el centro del agua.Foto de Warren Gretz por cortesía de US DOE/NREL (Department of Energy/NationalRenewable Energy Laboratory).
En las centrales eléctricas o en los motores, los gases de escape suelen contener calor que se dirige inútilmente al aire libre. Esto es un desperdicio de energía y algo que un intercambiador de calor puede reducir (aunque no eliminar por completo: siempre se perderá algo de calor). La forma de resolver este problema es con intercambiadores de calor colocados dentro de los tubos de escape o las chimeneas. A medida que los gases de escape calientes ascienden, rozan unas aletas de cobre por las que fluye el agua, que transporta el calor de vuelta a la planta. El agua transporta el calor de vuelta a la planta, donde se puede reciclar directamente y calentar los gases fríos que llegan al motor o al horno, ahorrando la energía que se necesitaría para calentarlos. Orit podría tener otro buen uso, por ejemplo, calentar una oficina cerca de la chimenea.
Foto: Cómo funciona un intercambiador de calor de aguas residuales de ducha. El agua residual caliente que sale calienta el agua fría que entra, reduciendo la energía que se necesita para calentar el agua y haciendo que todo sea más eficiente.
En los autobuses, el fluido utilizado para enfriar el motor diésel suele pasar por un intercambiador de calor y el calor que recupera se utiliza para calentar el aire frío del exterior que se bombea desde el suelo del habitáculo. Esto evita la necesidad de contar con calentadores eléctricos adicionales, que son un desperdicio, en el interior del autobús. El agua que enfría el motor fluye a través del radiador, que tiene muchas aletas paralelas de aluminio abiertas al aire. A medida que el coche avanza, el aire frío que pasa por el radiador elimina parte del calor, enfriando el agua y calentando el aire y manteniendo el motor en funcionamiento. El calor residual del radiador se utiliza para calentar el compartimento de los pasajeros, al igual que en un autobús.
Si tiene una ducha de bajo consumo, es posible que tenga un intercambiador de calor instalado en la salida de aguas residuales.A medida que el agua pasa por su cuerpo y baja por el tapón, pasa por las bobinas de cobre de un intercambiador de calor.Mientras tanto, el agua fría que entra en la ducha para calentarse pasa por los mismos serpentines, sin mezclarse con el agua sucia, pero recogiendo parte de su calor residual y calentándose ligeramente, de modo que la ducha no necesita calentarla tanto.
Tipos de intercambiadores de calor
Todos los intercambiadores de calor hacen el mismo trabajo -pasar el calor de un fluido a otro- pero funcionan de muchas maneras diferentes. Los dos tipos más comunes de intercambiadores de calor son los de carcasa y tubos y los de placas y aletas. En los intercambiadores de calor de carcasa y tubos, un fluido fluye a través de un conjunto de tubos metálicos, mientras que el segundo fluido pasa a través de una carcasa sellada que los rodea. Este es el diseño que se muestra en nuestro diagrama de arriba. Los dos fluidos pueden fluir en la misma dirección (conocido como flujo paralelo), en direcciones opuestas (contraflujo o contracorriente), o en ángulos rectos (flujo cruzado). Las calderas de las locomotoras de vapor funcionan de esta manera.Los intercambiadores de calor de placas/aletas tienen muchas placas o aletas metálicas finas con una gran superficie (porque así se intercambia más calor más rápidamente); los intercambiadores de calor de los hornos de gas (calderas de gas) funcionan de esta manera.
Foto: Dos tipos de intercambiadores de calor. 1) Un intercambiador de carcasa y tubos de la central nuclear de Savannah Rivern en Carolina del Sur, Estados Unidos. Hay muchos tubos en éste y son fáciles de ver. Foto por cortesía del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE).2) El intercambiador de calor de placas y aletas del interior de una caldera/horno de calefacción central de gas.
Los intercambiadores de calor utilizados para minimizar las pérdidas de calor de los edificios, motores y máquinas se denominan a veces recuperadores o regeneradores. Se trata de dos cosas muy diferentes. Un recuperador se utiliza normalmente para capturar el calor que de otro modo se perdería, por ejemplo, al ventilar el aire viciado de un edificio: el fluido frío entrante se canaliza en dirección opuesta al fluido caliente saliente para minimizar la pérdida de calor. Los dos fluidos fluyen a través de canales separados, permanecen separados y no se mezclan.Dado que los fluidos entrantes y salientes se mueven en direcciones opuestas, los recuperadores son ejemplos de intercambiadores de calor de contracorriente.El intercambiador de calor de un sistema de ventilación con recuperación de calor (HRV) es un ejemplo cotidiano de recuperador.
Arte: Un ejemplo de un intercambiador de calor de recuperación que funciona en un sistema de ventilación con recuperación de calor (HRV). El aire caliente que sale del edificio (tubo naranja inclinado de arriba a la derecha hacia abajo) cede su calor al aire fresco y frío que entra desde el exterior (tubo marrón inclinado de arriba a la izquierda hacia abajo a la derecha).
Un regenerador es similar, pero los fluidos entrantes y salientes se mueven por el mismo canal en direcciones opuestas y en tiempos diferentes. Así, el fluido caliente saldrá a través del regenerador, cediendo parte de su calor por el camino; posteriormente, el fluido frío entrará por el mismo canal y volverá a pasar por el regenerador, recogiendo parte del calor allí almacenado. Un regenerador es una de las piezas clave de una forma de energía muy eficiente llamada motor Stirling, en la que un pistón empuja el gas atrapado de un lado a otro entre una fuente de calor (como un fuego) y un lugar donde se pierde el calor («un sumidero»). El regenerador reduce el calor que, de otro modo, se perdería en los ciclos de ida y vuelta del motor.
¿Cuáles son los mejores materiales para un intercambiador de calor?
Foto: Los plásticos son materiales perfectamente adecuados para los intercambiadores de calor de baja temperatura.
Podría pensarse que los intercambiadores de calor tendrían que ser siempre de metales, que absorben y conducen rápidamente el calor, y muchos de ellos lo son. Pero los intercambiadores de calor también pueden estar hechos de cerámica, materiales compuestos (basados en metales o cerámica) e incluso plásticos (polímeros).
Todos estos materiales tienen sus ventajas. La cerámica es una opción especialmente buena para el tipo de aplicaciones de alta temperatura (más de 1.000 °C o 2.000 °F) que fundirían metales como el cobre, el hierro y el acero, aunque también son populares para su uso con fluidos corrosivos y abrasivos a altas o bajas temperaturas.Los plásticos generalmente pesan y cuestan menos que los metales, son resistentes a la corrosión y al ensuciamiento, y pueden diseñarse para tener una buena conductividad térmica, aunque tienden a ser mecánicamente débiles y pueden degradarse con el tiempo. Aunque en general no son adecuados para aplicaciones de alta temperatura, los intercambiadores de plástico podrían ser una buena opción para algo como una piscina o una ducha, que funcionen a temperaturas ambiente cotidianas.Los intercambiadores de calor compuestos combinan las mejores características de sus materiales de origen -por ejemplo, la alta conductividad térmica de un metal- con el peso reducido y la mejor resistencia a la corrosión de un plástico.
En el futuro, es muy posible que utilicemos materiales aún más interesantes en los disipadores de calor. Los nanotubos de carbono, por ejemplo (finas láminas hexagonales de carbono envueltas para formar «tubos»), tienen unas propiedades de conducción del calor asombrosas y ya se utilizan en los disipadores de calor (dispositivos de eliminación de calor utilizados principalmente en la electrónica).