Análisis comparativo del intercambiador de calor de placa y del intercambiador de calor de caparazón y tubo

Análisis comparativo de intercambiadores de calor de placas y de carcasa y tubos

1. Diseño estructural y mecanismos de transferencia de calor

1.1 Intercambiadores de calor de placas

Un intercambiador de calor de placas consta de una pila de placas metálicas corrugadas, con juntas que sellan los espacios entre las placas adyacentes para formar canales de flujo separados. Dos fluidos de trabajo fluyen a contracorriente o a flujo cruzado a través de canales alternos, intercambiando calor a través de las placas metálicas.

Mecanismo de transferencia de calor:

• El calor del fluido caliente se transfiere primero a la placa por convección, luego se conduce a través de la placa de alta conductividad térmica (por ejemplo, acero inoxidable, con una conductividad térmica de 45 W/(m·K)), y finalmente se transmite por convección al fluido frío.

• La superficie de la placa corrugada induce turbulencia a bajos números de Reynolds (Re = 50–200), lo que mejora significativamente la eficiencia de la transferencia de calor. Sin embargo, esta turbulencia también aumenta la caída de presión debido a una mayor resistencia del fluido.

1.2 Intercambiadores de calor de carcasa y tubos

Un intercambiador de calor de carcasa y tubos comprende una carcasa cilíndrica, un haz de tubos (fijo o flotante mediante placas tubulares) y cabezales. Un fluido fluye a través de los tubos (lado del tubo), mientras que el otro fluye alrededor de los tubos dentro de la carcasa (lado de la carcasa), con calor intercambiado a través de las paredes de los tubos. Las configuraciones comunes incluyen diseños de placa tubular fija, cabezal flotante y tubos en U.

Mecanismo de transferencia de calor:

• El calor del fluido caliente (lado del tubo o de la carcasa) se transmite por convección a la pared del tubo, se conduce a través del tubo (por ejemplo, tubos de cobre con una conductividad térmica de 375 W/(m·K)), y luego se transmite por convección al fluido frío en el lado opuesto.

• Se instalan deflectores en la carcasa para redirigir el fluido del lado de la carcasa, extendiendo las trayectorias de flujo y mejorando la turbulencia, mejorando así la eficiencia de la transferencia de calor.

2. Características de rendimiento

3. Ventajas, desventajas y aplicaciones

3.1 Intercambiadores de calor de placas

Ventajas:

• Alta eficiencia: El flujo turbulento a bajos números de Reynolds y la operación a contracorriente producen un factor de corrección de la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) de ~0,95, con diferencias de temperatura final tan bajas como <1°C (frente a ~5°C para los diseños de carcasa y tubos).

• Diseño compacto: 2–5 veces mayor área de transferencia de calor por unidad de volumen; ocupa 1/5–1/8 del espacio de las unidades de carcasa y tubos para una capacidad equivalente.

• Flexibilidad: Fácil de escalar agregando/quitando placas; adaptable a los cambios del proceso (por ejemplo, reconfiguración de las trayectorias de flujo).

• Rentabilidad: Ligero (espesor de la placa: 0,4–0,8 mm frente a 2,0–2,5 mm para los tubos), 40–60% menor costo que las unidades de carcasa y tubos del mismo material y área; producción en masa mediante estampado.

• Baja pérdida de calor: El área de superficie expuesta mínima reduce la disipación de calor, eliminando la necesidad de aislamiento.

Desventajas:

• Tolerancia limitada a la presión y la temperatura (inadecuado para >3 MPa o temperaturas extremas).

• Las juntas son propensas a la degradación en entornos corrosivos o de alta temperatura.

• Una mayor caída de presión puede requerir bombas más fuertes.

Aplicaciones:

Ideal para baja a media presión, 中小换热面积场景 (por ejemplo, HVAC, procesamiento de alimentos, sistemas de agua caliente sanitaria e industrias que requieren limpieza frecuente como la farmacéutica).

3.2 Intercambiadores de calor de carcasa y tubos

Ventajas:

• Resistencia a alta presión/temperatura: Adecuado para condiciones extremas (hasta 30 MPa, 400°C), lo que lo hace ideal para procesos industriales de alta presión.

• Robustez: La carcasa cilíndrica y los haces de tubos rígidos resisten altas pulsaciones y grandes caudales; compatible con fluidos de alta viscosidad o con partículas (con un diseño de deflector adecuado).

• Larga vida útil: La construcción totalmente de acero inoxidable (o tubos de cobre) ofrece durabilidad (hasta 20 años) en entornos corrosivos.

Desventajas:

• Menor eficiencia de transferencia de calor: los factores de corrección LMTD son a menudo <0,9 debido a los patrones de flujo cruzado; mayor huella y mayor peso.

• Inflexibilidad: Difícil de modificar el área de transferencia de calor después de la instalación; mayor costo inicial para una capacidad equivalente.

Aplicaciones:

Preferido para procesos industriales de alta presión/alta temperatura (por ejemplo, petroquímicos, generación de energía, minería) e intercambio de calor a gran escala (por ejemplo, calefacción centralizada, sistemas de refrigeración de servicio pesado).

Resumen

Los intercambiadores de calor de placas sobresalen en eficiencia, compacidad y flexibilidad para aplicaciones de baja a media presión, mientras que los intercambiadores de calor de carcasa y tubos dominan en escenarios industriales de alta presión, alta temperatura y a gran escala. La selección depende de las condiciones de funcionamiento, las necesidades de mantenimiento y los requisitos de escalabilidad.