El intercambiador de calor más utilizado: intercambiador de calor de carcasa y tubos

Introducción

Intercambiadores de calor Son componentes esenciales en muchos procesos industriales y comerciales, permitiendo que el calor se transfiera de un medio a otro sin contacto directo. Entre los muchos tipos disponibles, incluidos los intercambiadores de calor de placas, de tubos con aletas, de espiral y de doble tubo, el intercambiador de calor de carcasa y tubos (STHE) se destaca como el más utilizado a nivel mundial. Su versatilidad, durabilidad y eficiencia lo convierten en la piedra angular de la gestión térmica en sectores como la generación de energía, petróleo y gas, HVAC, procesamiento químico y más.

¿Qué es un intercambiador de calor de carcasa y tubos?

Un intercambiador de calor de carcasa y tubos consta de una serie de tubos encerrados dentro de una carcasa cilíndrica. Un fluido fluye a través de los tubos, mientras que otro fluido fluye sobre los tubos (dentro de la carcasa) para intercambiar calor. Este contacto indirecto garantiza la transferencia térmica sin mezcla de fluidos.

Estructura básica:
Tubos: normalmente dispuestos en haces y pueden ser rectos o en forma de U.

Cáscara: recipiente cilíndrico que rodea los tubos y que contiene el segundo fluido.

Placas de tubos: Placas que mantienen los tubos en posición y aíslan los fluidos.

Deflectores: guían el fluido del lado de la carcasa para aumentar la turbulencia y la transferencia de calor.

Cabezas o tapas de extremo: dirigen el líquido hacia adentro y hacia afuera de los tubos.

Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento principal de un intercambiador de calor de carcasa y tubos es la transferencia de calor por convección entre dos fluidos a diferentes temperaturas. El calor fluye desde el fluido más caliente al más frío a través de la pared del tubo.

Hay tres configuraciones de flujo principales:

Flujo paralelo: ambos fluidos se mueven en la misma dirección.

Contraflujo: los fluidos se mueven en direcciones opuestas para una mayor eficiencia.

Flujo cruzado: los fluidos fluyen perpendicularmente entre sí.

Variantes de diseño

Para adaptarse a diversas aplicaciones, los intercambiadores de calor de carcasa y tubos están diseñados en diferentes configuraciones:

Un paso o varios pasos (el líquido realiza uno o varios pases a través de los tubos)

Placa de Tubo Fijo – Simple y económica; limitado a una baja expansión térmica.

Cabeza flotante o tubo en U: se adapta a la expansión térmica; limpieza y mantenimiento más sencillos.

Estándares TEMA: la Asociación de Fabricantes de Intercambiadores Tubulares (TEMA) estandariza los STHE en clases (R, C, B) para uso en refinerías, comerciales y químicos.

¿Por qué es el más utilizado?

1. Versatilidad
Los intercambiadores de carcasa y tubos pueden manejar una amplia gama de temperaturas (hasta 1000 °C) y presiones (hasta 500 bar). Son personalizables para muchos requisitos de procesos, fluidos y entornos de instalación.

2. Durabilidad y confiabilidad
Construidos con materiales robustos como acero inoxidable, titanio o Inconel, estos intercambiadores son adecuados para entornos corrosivos y de alto estrés. Tienen una larga vida operativa con un mantenimiento adecuado.

3. Escalabilidad
Están disponibles en una amplia gama de tamaños, desde pequeñas unidades para laboratorios hasta instalaciones industriales masivas.

4. Facilidad de mantenimiento
Los modelos como los de tubo en U o de cabezal flotante permiten la limpieza y el reemplazo del tubo sin desmontar todo el sistema.

5. Eficiencia térmica
Con un diseño apropiado (por ejemplo, deflectores, pasos múltiples), los STHE pueden lograr una transferencia de calor muy eficiente, especialmente en disposiciones de contraflujo.

Aplicaciones comunes

1. Industria del petróleo y el gas
Lubricantes refrigerantes y fluidos hidráulicos.

Recuperación de calor de los gases de combustión.

Condensación de vapor y vapores.

2. Generación de energía
Calentadores de agua de alimentación

Condensadores de vapor en centrales térmicas.

3. Procesamiento químico
Control de temperatura de los reactores.

Calentamiento y enfriamiento del producto.

4. Climatización y refrigeración
Sistemas de agua helada

Condensadores y evaporadores

5. Marina y aeroespacial
Sistemas de refrigeración del motor

Recuperación de calor residual

Materiales de construcción
La selección del material es fundamental y depende de la temperatura, la presión y la resistencia a la corrosión:

Acero al carbono: común para aplicaciones de bajo costo.

Acero inoxidable – Alta resistencia a la corrosión.

Aleaciones de cobre: ​​excelente conductividad térmica.

Titanio: se utiliza para agua de mar o fluidos altamente corrosivos.

Aleaciones de níquel (Inconel, Hastelloy): para entornos extremos.