Optimización de los patrones de placas para la transferencia de calor marina

Respaldado por un taller de fabricación de 5.000 m² en Nantong y más de 100 ingenieros eléctricos y mecánicos, el grupo SME lleva más de 20 años prestando servicios a la industria de ingeniería marítima y offshore, y sigue ofreciendo un servicio de alta calidad y actualizado en este sector; realizamos más de 500 trabajos al año y suministramos más de 1.000 embarcaciones anuales. Este blog analizará el patrón óptimo de placas para el intercambiador de calor de placas, que constituye el núcleo del sistema marino, y explicará cómo dichos patrones óptimos logran su eficiencia térmica y económica mediante una mejor comprensión del control de la fricción del fluido y del flujo de calor en nuestros sistemas de refrigeración, calefacción y recuperación de calor residual.

Ángulo en chevron y su compromiso entre transferencia de calor y caída de presión

El parámetro geométrico más importante en el diseño de los intercambiadores de calor de placas de tipo PHE es el ángulo de chevron (o ángulo de espina de pescado). Como siempre, cuanto mayor sea el ángulo de chevron (por ejemplo, de 60° a 75°), mayor será la turbulencia generada y, por tanto, mayor será el coeficiente de transferencia de calor; sin embargo, esto conlleva un aumento proporcionalmente considerable en la caída de presión y la potencia de bombeo. Por otro lado, ángulos menores (de 30° a 45°) ofrecen menor resistencia al flujo, pero presentan un rendimiento térmico inferior. Cuando se utilizan fluidos viscosos, como el aceite lubricante, en aplicaciones marinas, los intercambiadores SME normalmente no emplean una única placa. Hasta la fecha, el rango de aplicaciones de los intercambiadores SME incluye diseños de placas combinadas, por ejemplo, con ángulos elevados para el paso de agua y ángulos más bajos para la trayectoria del aceite, o combinaciones similares, con el fin de lograr un rendimiento térmico aceptable sin provocar pérdidas de presión excesivas. Este diseño híbrido representa una solución óptima global desde el punto de vista térmico e hidráulico, lo cual resulta fundamental en los proyectos de modernización y construcción nueva en los que participa SME.

Profundidad de la corrugación, paso y relación de aspecto

Además del ángulo, la profundidad de la corrugación (h), el paso (P) y la relación de aspecto (2b/λ) afectan directamente al rendimiento. Cuanto mayor sea la profundidad de las corrugaciones, mayor será la superficie de transferencia de calor y más intensa será la separación de los flujos, lo que permite mejorar localmente la transferencia de calor mediante la mezcla secundaria. Sin embargo, también incrementan el factor de fricción, provocando una caída de presión mayor. Estudios basados en el método Taguchi para calentadores marinos de gas han establecido una relación óptima; por ejemplo, en el caso de un diámetro de corrugación de 6 mm, una profundidad de corrugación de 1 mm y una inclinación de corrugación de 45°, se observó una mejora del 37,41 % en el índice de rendimiento integral (TP) respecto al diseño convencional. Estas técnicas de optimización basadas en datos se emplean en SME para especificar la geometría de las placas según las condiciones operativas específicas de cada embarcación, con el fin de no sacrificar beneficios en rendimiento térmico debido a costes excesivos de bombeo.

Patrones asimétricos y modificados para demandas variables de caudal

Flujo del lado caliente. En el proceso de flujo del lado caliente del sistema marino se puede aprovechar el hecho de que su caudal másico puede diferir significativamente del de otros sistemas; por ejemplo, la velocidad de flujo del agua de calefacción puede alcanzar múltiplos de la velocidad de flujo a través de un grifo de alojamiento. Cuando esto se realiza de forma simétrica en todos los canales de flujo, el resultado es un aumento generalizado de la caída de presión en el circuito de alto caudal, sin cambios en la resistencia mecánica ni en la eficiencia térmica. Las placas de canal de flujo no uniformes —por ejemplo, aquellas en las que un canal presenta un área transversal incrementada mediante una reducción de la profundidad de estampado o mediante crestas variables— experimentan una menor pérdida de presión en dicho canal de mayor tamaño, hasta el límite permitido mecánicamente, y conservan una buena capacidad de transferencia de calor. Además, estudios recientes han logrado un rendimiento termohidráulico superior en placas en chevrón (>1 en placas de espina de pescado separadas), donde el efecto de mejora de la turbulencia supera el incremento de la resistencia al flujo. Esta optimización muy avanzada es evaluada por ingenieros de PYME para buques con escenarios operativos altamente diversos, y las soluciones de valor añadido propuestas permitirán a los armadores reducir el consumo energético.

Geometrías de superficie abollada y novedosa

Estudios realizados en los últimos años han investigado la posibilidad de sustituir los patrones tradicionales en espina de pescado por placas abolladas (de puntos ondulados) con placas convexas circulares. Mediante optimización numérica con el método de superficie de respuesta, se determinaron los parámetros óptimos (diámetro del punto ondulado de aproximadamente 5,2 mm, profundidad de 0,9 mm e inclinación de 42°) para lograr un rendimiento máximo (factor JF) un 11,92 % superior al de los diseños convencionales en espina de pescado. En este diseño novedoso, las geometrías están concebidas para fomentar la turbulencia y la capa límite térmica, manteniendo aún una caída de presión aceptable. SME sigue prestando especial atención a estos nuevos avances y aplica innovaciones comprobadas, cuando resultan pertinentes, en soluciones de modernización y construcción nueva, para ayudar a los clientes a cumplir las normas más recientes sobre eficiencia y emisiones.

Conclusión: Diseño preciso de placas para la eficiencia marina

La optimización de los patrones de placas no es un procedimiento operativo estándar y exige un estudio detallado de las propiedades del fluido, los caudales, las caídas de presión permitidas y la demanda térmica. SME Group cuenta con certificación ISO 9001/14001/45001 y aporta más de dos décadas de experiencia en transferencia de calor marina a cada proyecto. Nuestra red local garantiza una respuesta rápida en astilleros de todo el mundo, especialmente en la República Popular China, lo que permite que sus intercambiadores de calor funcionen al máximo rendimiento. SME le ofrece una garantía de 12 meses y una vocación que va más allá de satisfacer y superar sus expectativas: la vocación de ayudarle a ahorrar aún más energía, gracias a su apoyo para optimizar los patrones de placas y lograr ahorros energéticos cuantificables. Llame hoy mismo a nuestros expertos técnicos para analizar los requisitos específicos de calefacción de su embarcación.