Intercambiadores de calor de placas. Hechos a tu medida

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También conocidos como PHE, los intercambiadores de calor de placas son tan versátiles que pueden utilizarse para una gran variedad de aplicaciones. Te contamos algunas de ellas en este artículo.

Gabriel Scully / Fotografías: cortesía de Sondex

Los intercambiadores de calor compactos desempeñan un papel importante en una amplia gama de procesos químicos y son utilizados en varios sectores productivos, desde plataformas petroleras hasta las industrias azucarera, farmacéutica, de alimentos y bebidas, así como en la refrigeración y el aire acondicionado (RAC).

Dentro de los intercambiadores de calor compactos sobresale el intercambiador de calor de placas (PHE), debido a su eficiencia, flexibilidad, mantenimiento sencillo y bajo costo capital. Éste consiste en un paquete de placas de metal corrugado muy delgado (el espesor promedio estándar es de 0.4 a 0.6 mm). Sus placas cuentan con agujeros (puertos) en las cuatro esquinas que permiten el paso de los dos fluidos entre los que ocurre la transferencia térmica. Cada par de placas forma un canal y en cada una se coloca un empaque perimetral que separa los puertos para direccionar los fluidos en entrada y salida de forma alternada en los canales y permitir la hermeticidad del equipo.

Este paquete de placas se ensambla en un bastidor que posee las conexiones de entrada y salida (que coinciden con los puertos de las placas), que normalmente son roscadas o bridadas. Dependiendo de la presión de trabajo se definirá que tan robusto es este bastidor y cuantos tornillos de apriete requerirá para, además de lograr la hermeticidad, mantener la presión de trabajo.

Figura 1. El material estándar de los PHE es el acero inoxidable 304 y 316

El material de fabricación de las placas es cualquiera que permita la formación/prensado en frío, pero el material estándar es el acero inoxidable 304 y 316, debido a sus cualidades de elongación y resistencia a la corrosión. Para aplicaciones donde se requiera mayor resistencia a la corrosión, en cambio, se pueden emplear materiales más resistentes y exóticos, tales como titanio, hastelloy, níquel y aleaciones especializadas.

El material más común de fabricación de los empaques es el nitrilo (caucho común sintético), el caucho etileno-propileno-dieno (EPDM) y otros elastómeros más especializados para líquidos agresivos, por ejemplo: butilo, vitón, entre otros.

Figura 2. Componentes del intercambiador de placas

El bastidor es un elemento mecánico, robusto, que cuenta con dos placas: la que va fija, que es donde normalmente se localizan las conexiones de entrada y salida de los fluidos, y la móvil, que es la que cerrará el conjunto. Éstas suelen fabricarse con acero al carbón. Adicionalmente, hay una barra de carga en la parte de arriba, donde colgarán las placas y una barra guía en la parte de abajo que las alinea. Una columna da soporte y los tornillos de apriete para sostener y apretar el paquete de placas. El bastidor es protegido con acabado anticorrosivo (Figura 2).

La utilización de PHE ofrece las siguientes ventajas:

Menor inversión: Hasta 90 por ciento menor costo debido a que la superficie de transferencia es menor por ser más eficiente.
Menores costos de mantenimiento: Menos tiempos muertos, pues no se requiere equipo especial de limpieza ni de apertura; también brinda fácil acceso para inspección y bajos factores de ensuciamiento.
Diseño modular: Fácilmente adaptable a nuevas condiciones de operación, adicionando o quitando placas; es decir, un mismo equipo puede manejar diferentes procesos.
Tamaño compacto: Menor peso significa ahorro en instalación y maniobras.
Bajo volumen de retención: de un 80 a un 90 por ciento menor volumen de retención; es fácil de drenar y ofrece importantes ahorros cuando se utilizan fluidos costosos como glicoles y refrigerantes.
Aproximaciones de temperatura más cercanas: Hasta un grado centígrado de aproximación de temperatura entre dos medios, maximizando la posibilidad de recuperación de calor.

El intercambiador de calor de placas es altamente eficiente y dentro de sus rangos de operación siempre será el equipo de transferencia térmica con mayor costo/beneficio. Sus límites de operación normales son:

Rango de temperatura: -20°C a 160 °C.

Rango de presión: de vacío hasta: 25 kg/cm2.

Existen otras variantes de PHE que pueden tener mayores rangos de operación, como los semisoldados, tipo brazed, etcétera. Esta limitación obedece, básicamente, a los elastómeros con los que se fabrican los empaques.

PHE Sondex para el sector RAC
Estos dispositivos reducen los costos de servicio y mantenimiento, además de que minimizan el consumo de energía, lo que redunda en una larga vida útil de los productos y una disminución de los costos totales. Los PHE están disponibles en el mercado de manera estándar, pero también está la posibilidad de desarrollarlos a la medida de cualquier aplicación. El diseño de las placas Sondex permite resolver prácticamente cualquier aplicación, gracias a su gran variedad:

  • 256 variantes para los intercambiadores de calor de placas estándar (con empaques).
  • Intercambiadores de calor tipo brazed.
  • Intercambiadores de calor de placas semisoldadas.
  • Intercambiadores de calor de placas SonderSafe (doble pared).
  • Intercambiadores de calor de placas de flujo libre.
  • Sondblock: intercambiador de placas compacto totalmente soldado.
  • Sondex Plate & Shell: intercambiador de placas y coraza.
  • Sondex Spiral: intercambiadores de calor tipo espiral.

Figura 3. Intercambiador de placas Sondex

La línea de intercambiadores de calor de placas es un traje a la medida para cubrir cualquier necesidad RAC. Una adecuada selección y dimensionamiento del PHE será altamente redituable en términos de eficiencia energética, desempeño y retorno de inversión. El amplio rango de equipos, placas y corrugaciones hacen posible solucionar cualquier necesidad de transferencia térmica. Además, cubren todos los flujos posibles con equipos con diámetros de conexiones desde 1.25” hasta 28”.

Cabe destacar que los PHE Sondex/Danfoss se pueden diseñar y certificar con el estándar 400 del Instituto de Aire Acondicionado, Calefacción y Refrigeración (AHRI, por sus siglas en inglés). Esta opción está disponible a solicitud del cliente. La norma AHRI 400 establece los requisitos de prueba, datos mínimos y de fabricantes, placas de identificación y condiciones de conformidad para la selección adecuada de intercambiadores de calor de líquido a líquido.

Figura 4. Esquema de una instalación típica donde se muestran las dos secciones

Aplicaciones más comunes
Antes de enfocarnos en las aplicaciones, repasemos las ventajas que representa los PHE Sondex/Danfoss:

  • Alta eficiencia energética
  • Aproximación muy cercana de temperatura entre los flujos
  • Pequeñas pérdidas de temperatura
  • Rápida y mejor regulación
  • Diseño compacto
  • Alta eficiencia térmica
  • Fácil servicio y apertura para la limpieza mecánica
  • Posibilidad de ampliación en la capacidad

En conexión con el sistema de generación de confort (aire acondicionado) en las instalaciones, llámese edificios, centros, comerciales, aeropuertos, centros de exhibiciones, entre otros espacios interiores, es posible dividir dos grandes secciones para referirnos a las posiciones de los PHE:

1 Primera sección: se ubica antes del condensador del chiller y es la parte donde se requiere agua de enfriamiento para condensar el refrigerante que retorna a la enfriadora.

Ventajas de operación
Grandes cantidades de calor son generadas en el sistema de aire acondicionado. Esto significa que se deberá liberar ese calor por medio del condensador del chiller. Para enfriarlo normalmente se utiliza una torre de enfriamiento. El problema, no obstante, es que al ser un circuito abierto el condensador está expuesto a recibir toda la suciedad de la torre.

La alternativa para evitar que suceda este inconveniente es utilizar un PHE dividiendo el circuito abierto de la torre y crear un circuito cerrado con el condensador. De este modo se protege a la máquina de suciedad, incrustación y corrosión, al tiempo que se extiende su vida útil, siempre con la menor pérdida de temperatura gracias a la alta eficiencia del PHE.

Los intercambiadores de placas también protegen al condensador de las altas presiones, ya que muchas veces las torres de enfriamiento están instaladas en el techo de los edificios. La gran presión estática que recibiría el chiller, normalmente ubicado en el cuarto de máquinas en el sótano, se evitará instalando un PHE antes del condensador, así éste recibirá la presión de la columna de agua. Contemplar la instalación de un PHE desde la ingeniería del proyecto evita tener que considerar un condensador que soporte altas presiones.

Adicionalmente, menos aditivos serán necesarios para el mantenimiento de la torre de enfriamiento, pues el volumen de agua será mucho menor.

En los grandes hoteles ubicados en las playas, donde es factible utilizar agua de mar como medio de enfriamiento, el PHE de titanio es la solución idónea, gracias a su resistencia a la corrosión por la salinidad marina. Sin riesgo de corrosión, el circuito cerrado funcionaría con agua limpia o con algún glicol. Los ahorros que resultan del uso de un intercambiador de calor de placas para enfriar el condensador con agua de mar son más que evidentes. No se requiere torre de enfriamiento ni tratamientos de agua, además habrá menos energía involucrada en la operación del sistema y no se presentarán perdidas por evaporación, entre otras ventajas.

2 Segunda sección: su ubica después del evaporador y es donde el agua fría generada por el chiller será distribuida en las instalaciones.

Ventajas de operación
En la segunda sección es donde se distribuirá el frío dentro de toda la instalación. El PHE se instala entre el evaporador del chiller y las instalaciones. Es decir, separaremos el agua helada del agua de servicio. Esto representa, además, seguridad en caso de fugas, y alarga la vida útil del evaporador. En esta aplicación el mantenimiento del intercambiador de calor de placas será prácticamente inexistente, ya que los dos circuitos son cerrados, en otras palabras, los dos fluidos no tienen contacto con el exterior por lo que siempre están limpios.

En los edificios altos, debido a la carga estática creada por la columna de agua, el PHE funcionará como un excelente interceptor de presión, sin pérdida significativa en la temperatura. De este modo, todos los componentes del sistema, pasando por tuberías válvulas, bombas y el mismo chiller, no necesitan ser especificados para altas presiones.

Para las edificaciones altas es común tener varios interceptores de presión, que además dividen el circuito de agua fría en diferentes secciones. Esto facilita las operaciones de mantenimiento, aísla zonas con posibles fugas, etcétera.

En cambio, en instalaciones sensitivas como cuartos de computo, sites de servidor, centros de monitoreo, la zona donde se encuentran las máquinas suele dividirse con un intercambiador de placas específico. Esto facilita el control de temperatura por ser un circuito aislado y pequeño y, en caso de una fuga, el derrame será mínimo, por lo que todo el equipo sensitivo estará a salvo.

Otras aplicaciones

  • En albercas. Ésta es una aplicación que es ya prácticamente un estándar. El calentamiento del agua en piscinas se realiza recirculando el agua por un intercambiador de calor de placas. Del otro lado, el agua caliente proviene de la caldera o del calentador (Figura 5). Con el propósito de disminuir el tamaño de los equipos, tanto del PHE como de la bomba, esta aplicación se calcula considerando varias horas de recirculación hasta lograr la temperatura deseada. Al tener instalado un sensor de temperatura, este rearrancará el sistema cuando la variación térmica sea de +/- 1 oC o 2 oC. Además, debido a las necesidades de limpieza del agua de alberca, ésta se debe clorar, por lo que las placas de titanio son necesarias muchas veces. Al ser éste un sistema de recirculación, los equipos requeridos son muy pequeños, normalmente no pasan de cuatro pulgadas de diámetro de conexiones. El circuito de agua caliente no requerirá ningún componente fabricado para resistir la corrosión de la cloración, ya que el PHE se encarga de aislarlo.
  • Calentamiento y enfriamiento urbano (district heating y distric cooling). En países y regiones con climas extremos se ha popularizado mucho el uso de centrales de calentamiento y enfriamiento urbano, las cuales son una red de suministro de frío o calor por medio de una tubería subterránea. De este modo, los edificios, comercios, viviendas, etcétera, se conectan a este suministro para cubrir sus necesidades de frío o de calor. Conectarse por medio de un PHE permite la máxima eficiencia térmica y la posibilidad de medir, censar y cobrar de forma mucho más eficiente el consumo. En México ya podemos ver algunas instalaciones de este tipo y en un futuro cercano será prácticamente un estándar en las grandes ciudades.

Figura 5. Diagrama típico de un intercambiador de placas para uso en piscinas

PHE, un estándar para la industria
En virtud de las características y ventajas aquí mencionadas, es cuestión de tiempo para que los intercambiadores de calor de placas sean considerados como un estándar para todos los proyectistas e instaladores RAC. En este artículo sólo se mencionaron algunas de las muchas aplicaciones que tienen en el mercado, pero hay muchas más para brindar calentamiento, enfriamiento y recuperación de calor en alguna instalación. El PHE, sin duda, es el sistema idóneo que ofrece el mayor costo/benéfico, por lo que sólo necesitas considerar las necesidades del proyecto para elegir la mejor opción.
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Gabriel Scully
Consultor de gestión y encargado de negocios para Latinoamérica en Sondex desde 2011. Cuenta con 26 años de experiencia en instalación, dimensionamiento y comercialización de PHE (alrededor de 8 mil unidades, que van desde equipos sencillos para enfriamiento/calentamiento de agua hasta sistemas enfriadores en centrales nucleares). Miembro de diferentes capítulos de ASHRAE, el IIAR y el HTRI.