Si trabaja en industrias como la de alimentos y bebidas, farmacéutica, HVAC o procesamiento químico, es casi seguro que ha interactuado con un intercambiador de calor de placas (PHE) en algún momento. Estas unidades compactas y eficientes son caballos de batalla para transferir calor entre dos fluidos sin mezclarlos, y su diseño es mucho más personalizable de lo que la mayoría de la gente cree. Como alguien que ha estado vendiendo PHE durante años, he escuchado todas las preguntas bajo el sol sobre lo que los hace funcionar bien, y una de las más comunes (y de mayor impacto) es: ¿cómo el espaciado de las placas cambia realmente el funcionamiento de un PHE? Spoiler: no es sólo un pequeño ajuste, es todo un efecto dominó en la transferencia de calor, la caída de presión, el comportamiento del flujo e incluso la confiabilidad a largo plazo.
Primero, analicemos qué significa el espacio entre placas para cualquiera que no sea ingeniero de PHE de profesión. Un PHE estándar está hecho de pilas de placas delgadas de metal corrugado unidas en un marco, cada una con orificios en las esquinas para que entren y salgan dos fluidos. El "espacio" se refiere al espacio entre cada plato adyacente; considérelo como el espacio entre dos rebanadas de pan, donde un fluido fluye por un lado del plato y el otro por el opuesto. Esa brecha no es un número aleatorio que sirve para todos; es algo que se modifica en función de lo que necesita el sistema, y hacerlo mal puede convertir un PHE perfectamente bueno en un dolor de cabeza torpe e ineficiente.
Comencemos con el más importante: la tasa de transferencia de calor. El objetivo de un intercambiador de calor es mover calor de un fluido caliente a uno frío, ¿verdad? La forma en que el espacio entre placas afecta esto se reduce a cómo fluye el fluido a través de ese espacio. Si tiene un espacio entre placas muy ajustado (espacios pequeños), la velocidad del fluido aumenta mucho; un flujo más rápido significa más turbulencia, y la turbulencia es el nombre del juego para una buena transferencia de calor. Cuando el fluido se mueve lenta y suavemente (flujo laminar), se forma una capa estancada (llamada capa límite) justo contra la placa. Esa capa actúa como una manta aislante, ralentizando la transferencia de calor porque el calor tiene que trabajar más para pasar la zona muerta. Un espaciado más estrecho reduce esa capa límite, por lo que el calor se mueve de manera mucho más eficiente. Lo vi de primera mano con un cliente de una cervecería artesanal hace un par de años. Estaban usando un PHE genérico para su proceso de enfriamiento de mosto y estaban tardando el doble de lo debido, desperdiciando agua y energía. Cuando cambiamos sus placas viejas por otras con espacios más reducidos hechas de acero inoxidable 316 resistente a la corrosión (consulte nuestraIntercambiador de calor de placas 316para obtener detalles sobre ese grado), su tiempo de enfriamiento se redujo en un 40% y sus facturas de energía también bajaron.
Pero espere, hay un problema con el espacio reducido y es la caída de presión. La caída de presión es la cantidad de resistencia que tiene que enfrentar el fluido para fluir a través del PHE, y una caída de presión más alta significa que se necesita una bomba más grande, que utiliza más energía. El mismo pequeño espacio que aumenta la turbulencia también aumenta la fricción entre el fluido y las placas, por lo que la presión se dispara. Por ejemplo, un cliente de la industria de procesamiento químico con el que trabajamos estaba usando un PHE para una solución viscosa y con alto contenido de ácido. Inicialmente utilizaron espacios muy reducidos para obtener la máxima transferencia de calor, pero su bomba estaba trabajando tan duro que seguía activando el motor cada 8 horas. Tuvieron que adaptarse a un espacio entre placas ligeramente más amplio para reducir la caída de presión a niveles manejables. Ése es el equilibrio que todo el mundo debe lograr: no se puede limitar el espacio al mínimo y considerarlo bueno; debe adaptarlo a su tipo de fluido, caudal deseado y capacidad de la bomba.
Ahora hablemos de diferentes tipos de fluidos, porque el espacio entre placas es mucho más importante cuando se trabaja con líquidos sin agua. Si está moviendo agua o un fluido fino y de baja viscosidad, los espacios reducidos funcionan muy bien: fluyen fácilmente a través de espacios pequeños, no hay problema. Pero si el líquido es viscoso, como melaza, aceite o almíbar espeso, el espacio reducido es una pesadilla. Los fluidos viscosos se mueven lentamente de forma natural, por lo que si los metes en un espacio pequeño, su velocidad cae aún más, convirtiéndose en ese molesto flujo laminar y acabando con la transferencia de calor. El año pasado trabajé con una planta procesadora de alimentos que manipulaba pasta de tomate espesa para su línea de ketchup. Probaron un PHE estándar con placas ajustadas y la pasta apenas se movió; incluso tuvieron que apagar la unidad para limpiar una gran obstrucción una vez por semana. Los cambiamos a un espacio entre placas ligeramente más amplio y lo combinamos con un PHE diseñado para fluidos de alta viscosidad, y no solo se aceleró el flujo, sino que la transferencia de calor mejoró tanto que pudieron procesar un 20 % más de producto sin actualizar su bomba. Este es un ejemplo perfecto de cómo no es negociable hacer coincidir el espacio con las propiedades de su fluido.
Otro factor importante: las faltas. La suciedad se produce cuando la suciedad, como depósitos minerales, algas o acumulaciones orgánicas, se adhiere a las placas con el tiempo, ¿verdad? Es el enemigo de todos los intercambiadores de calor, porque agrega la misma capa límite aislante de la que hablamos antes, acabando con el rendimiento. ¿Cómo influye el espacio entre placas en esto? Los espacios más anchos son mucho más fáciles de mantener limpios. Los espacios estrechos atrapan la suciedad en los espacios pequeños, lo que hace que sea casi imposible eliminarla cuando se realiza el mantenimiento. Un cliente de productos lácteos al que atendemos tuvo un problema con los sólidos lácteos que contaminaban su PHE cada 3 días. Ajustamos el espacio entre placas para que fuera 2 mm más ancho que su configuración original y sus ciclos de limpieza se ampliaron a cada 10 días. También ahorraron en agua y productos químicos de limpieza, lo que ascendía a miles de dólares al mes. Para las industrias que tratan con alimentos o productos químicos, donde la limpieza no es negociable, el espacio entre placas no es sólo una modificación del rendimiento: es un ahorro de costos.
Espera, pero ¿qué pasa con el cambio entre diferentes tipos de PHE? A menudo me preguntan si el espaciado entre placas tiene sentido en comparación con otros diseños de intercambiadores de calor, como los de carcasa y tubos. Por ejemplo, alguien podría preguntar cuándo un PHE con espaciamiento ajustado es mejor que un armazón y tubo. Digamos que usted está en la industria química manipulando fluidos corrosivos;Intercambiador de calor de carcasa y tubos para la industria químicaes sólido, pero si necesita un proceso compacto y de alta eficiencia para un proceso más pequeño, un PHE con espaciado personalizado podría funcionar mejor. También vendemos otras opciones, como nuestraIntercambiador de calor de tubos y carcasa enrollado en espiral 304oIntercambiador de calor en espiral de acero al carbonopara necesidades específicas, pero el espaciado ajustable de los PHE es una de sus mayores ventajas sobre esos diseños más rígidos.
Ahora veamos cómo el espaciado afecta la distribución del flujo, algo en lo que muchos nuevos usuarios de PHE no piensan. Si tiene espacios desiguales (algunos espacios son mucho más pequeños o más anchos que otros), el líquido tomará el camino de menor resistencia. Eso significa que fluye más líquido a través de los espacios más anchos y los estrechos apenas fluyen. Entonces, la mitad de su PHE está funcionando y la otra mitad simplemente está desperdiciando espacio. El espaciado de placas correctamente calibrado (todos los espacios iguales o ligeramente variados para patrones de flujo específicos) garantiza que ambos fluidos se distribuyan uniformemente en cada placa, para que pueda aprovechar al máximo la unidad. Tuve un cliente que ensambló sus placas PHE una vez y estropeó el espacio en dos placas, lo que provocó un flujo desigual y una caída del 25 % en la transferencia de calor. Es un pequeño error, pero marca una gran diferencia.
También abordaremos aquí los conceptos erróneos más comunes. Mucha gente supone que "un espacio más amplio siempre es mejor porque reduce la caída de presión" o "cuanto más estrecho siempre es mejor para la transferencia de calor". Pero eso no es del todo cierto: se trata de hacer coincidir su aplicación. Si está trabajando con un fluido de alto flujo y baja viscosidad, como agua enfriada para un sistema HVAC, el espacio reducido es perfecto porque obtiene una excelente transferencia de calor sin problemas de presión. Pero si está trabajando con un fluido viscoso y propenso a incrustaciones, como el petróleo crudo, no es negociable un espaciamiento más amplio para mantener el flujo en movimiento y facilitar la limpieza. Siempre explicamos primero a los clientes sus necesidades específicas: ¿qué fluidos están usando, cuál es el caudal, cuál es la transferencia de calor requerida, cuál es la capacidad de su bomba y con qué frecuencia necesitan limpiar la unidad? Luego ajustamos el espacio entre placas en consecuencia.
Otro ejemplo reciente: una startup en el ámbito de las energías renovables estaba construyendo una unidad para capturar el calor residual de los paneles solares. Necesitaban un PHE que fuera compacto, eficiente y que pudiera manejar agua con pequeñas cantidades de acumulación de minerales. Usamos un espacio entre placas mediano para ellos, lo suficientemente ajustado para lograr una buena turbulencia y transferencia de calor, pero lo suficientemente ancho como para evitar que pequeñas incrustaciones obstruyan los espacios. Esa unidad terminó teniendo la mitad del tamaño de una unidad de carcasa y tubos que inicialmente examinaron, y le está ahorrando a la startup miles de dólares en costos operativos y de instalación. Es ese equilibrio lo que hace que los PHE sean tan versátiles, y el espacio entre placas es el núcleo de esa versatilidad.
Si está buscando un nuevo intercambiador de calor o está buscando actualizar el existente, el espacio entre placas es una de las variables más impactantes, aunque pasada por alto. Demasiadas personas simplemente optan por un PHE genérico sin pensar en cómo el espaciamiento afectará su proceso específico, y terminan con unidades de bajo rendimiento que desperdician energía, requieren demasiado mantenimiento o no pueden mantener el ritmo de producción. Ya sea que necesite una unidad para el procesamiento de alimentos, la fabricación de productos químicos, HVAC o cualquier otra industria, tomarse el tiempo para lograr el espaciado correcto entre las placas dará sus frutos en costos más bajos, mayor eficiencia y menos tiempo de inactividad.
Si está cansado de lidiar con un intercambiador de calor que no satisface sus necesidades, estamos aquí para ayudarlo. Llevamos años trabajando con todo tipo de industrias, ayudando a los clientes a adaptar los intercambiadores de calor a sus especificaciones exactas, ya sea ajustando el espaciado de las placas, eligiendo el material adecuado (como nuestro duraderoIntercambiador de calor de acero al carbonoo acero inoxidable 316 resistente a la corrosión), o combinándolo con el diseño perfecto para su aplicación. No se conforme con una unidad única que no funciona para su proceso; comuníquese con nuestro equipo para analizar sus necesidades y lo ayudaremos a encontrar el intercambiador de calor adecuado que aumente su rendimiento y reduzca sus costos.
Referencias:
- Shah, RK y Sekulic, DP (2003). Fundamentos del diseño de intercambiadores de calor. John Wiley e hijos.
- Troupe, RA y Bromley, LA (1957). Transferencia de calor en intercambiadores de placas. Química industrial y de ingeniería, 49 (10), 1621-1626.
- Wang, Q., Chen, G. y Zhang, Y. (2019). Efecto del espaciado de placas sobre las características de flujo y transferencia de calor en un intercambiador de calor de placas para fluidos viscosos. Ingeniería Térmica Aplicada, 152, 456-465.
- Organización para la Agricultura y la Alimentación (FAO). (2018). Intercambiadores de calor para procesamiento de alimentos: diseño, operación y mantenimiento. Boletín de servicios agrícolas de la FAO.