Un intercambiador de calor transfiere calor entre dos fluidos a través de una pared sólida que mantiene separados sus circuitos de flujo. El fluido más caliente cede energía térmica a una superficie de la pared; esa energía atraviesa el material y entra en el fluido más frío por el otro lado. Con una barrera intacta y conexiones correctamente selladas, ninguno de los fluidos necesita pasar al otro circuito.

En un centro de datos refrigerado por líquido, esta disposición separa el refrigerante que circula por los equipos del agua que circula por la infraestructura de refrigeración del edificio. El calor pasa entre los circuitos, mientras que la composición química del agua, la presión y la limpieza de cada uno se controlan de forma independiente.

El calor atraviesa tres resistencias térmicas

Dentro de un intercambiador de calor de placas o de tubos, el calor se desplaza mediante una secuencia de procesos. Primero, la convección transporta la energía desde el fluido más caliente hacia la pared. Después, la conducción transfiere la energía a través del metal. Finalmente, la convección transporta la energía desde la superficie opuesta de la pared hacia la corriente más fría.

El fluido que se encuentra inmediatamente junto a una superficie sólida se mueve más lentamente que el fluido situado más lejos. Esta capa límite crea resistencia a la transferencia de calor. Las corrugaciones de las placas y unas velocidades de flujo adecuadas favorecen la mezcla dentro de cada paso independiente, haciendo que una mayor cantidad de fluido entre en contacto con la superficie de transferencia de calor. La mezcla dentro de un circuito mejora la transferencia de calor sin mezclar los dos circuitos entre sí.

La pared también añade su propia resistencia. Una pared más delgada conduce el calor con mayor facilidad, pero su espesor también debe soportar la presión, la exposición a la corrosión y las cargas mecánicas. El acero inoxidable es habitual en los intercambiadores de placas porque combina una resistencia útil a la corrosión con una elevada resistencia estructural. La selección del material aún requiere compatibilidad con ambos fluidos, los productos químicos de limpieza y las temperaturas de funcionamiento.

Un metal con alta conductividad por sí solo no garantiza un rendimiento elevado. Un flujo deficiente, los depósitos o una disposición inadecuada de los canales pueden generar más resistencia que la propia pared metálica.

Cómo se mantienen separados los pasos

Un intercambiador de calor de placas contiene un conjunto de placas metálicas delgadas. Los puertos y las juntas dirigen un fluido a través de canales alternos, mientras que el segundo fluido circula por los canales situados entre ellos. Cada placa compartida actúa como superficie de transferencia de calor y como barrera física.

En los diseños con juntas, estas sellan los bordes de las placas y dirigen el flujo alrededor de los puertos correspondientes. Los diseños soldados utilizan uniones permanentes en lugar de juntas de placas reemplazables. Las construcciones soldadas ofrecen otra forma de crear pasos estancos. Estas disposiciones difieren en cuanto a facilidad de mantenimiento y compatibilidad con los fluidos, pero todas dependen de que las paredes y las uniones permanezcan intactas para mantener la separación.

Un intercambiador de carcasa y tubos aplica el mismo principio con una geometría diferente. Un fluido circula por el interior de los tubos, mientras que el otro fluye alrededor de sus superficies exteriores dentro de una carcasa. Las paredes de los tubos y las uniones en las placas tubulares separan las corrientes.

La separación hidráulica no requiere que la presión sea igual en ambos lados. Cada circuito puede tener su propia bomba y presión de funcionamiento, siempre que el intercambiador permanezca dentro de sus límites especificados, incluida la diferencia de presión admisible. La pared soporta la carga de presión al mismo tiempo que conduce el calor.

La diferencia de temperatura determina la dirección de la transferencia

El calor fluye localmente desde el fluido más caliente hacia el fluido más frío. Un intercambiador convencional de líquido a líquido no tiene compresor y no eleva el calor a un nivel de temperatura superior. Por tanto, su capacidad para enfriar un circuito de equipos depende de la temperatura del circuito receptor.

Si el agua de la instalación que entra en un intercambiador está demasiado caliente, aumentar el tamaño del intercambiador no puede hacer que la salida del lado de los equipos sea más fría que esa agua de entrada en condiciones de funcionamiento estacionarias. Una superficie mayor puede reducir la diferencia de temperatura necesaria para una determinada carga térmica, pero un intercambiador finito necesita una diferencia de temperatura para transferir calor.

La dirección del flujo influye en cómo se mantiene esa diferencia. En el flujo paralelo, ambas corrientes entran por el mismo extremo, generando una gran diferencia de temperatura inicial que se reduce a lo largo de los pasos. El flujo a contracorriente envía las corrientes en direcciones opuestas y suele mantener una diferencia de temperatura más útil en toda la superficie disponible.

En el flujo a contracorriente, la salida de la corriente más fría puede estar más caliente que la salida de la corriente más caliente, porque esas salidas se encuentran en extremos opuestos. Esto no invierte el flujo de calor: en cada punto de la pared separadora, el fluido que cede calor sigue estando más caliente que el fluido que lo recibe.

Qué indican realmente la capacidad y las lecturas de temperatura

Para un líquido monofásico con propiedades aproximadamente constantes, la tasa de transferencia de calor puede estimarse a partir de cualquiera de los dos circuitos:

Tasa de transferencia de calor = caudal másico × capacidad calorífica específica × variación de temperatura del fluido.

Durante el funcionamiento estacionario, el calor perdido por la corriente más caliente es aproximadamente igual al calor ganado por la corriente más fría, teniendo en cuenta el calor intercambiado con el entorno y la incertidumbre de las mediciones. Unas tasas de transferencia de calor iguales no requieren variaciones de temperatura iguales. Los diferentes caudales o las propiedades de los fluidos producen diferencias distintas entre la entrada y la salida.

Esto es importante al comparar el agua con una mezcla de agua y glicol. La concentración de glicol modifica el calor específico, la viscosidad y la conductividad térmica. Con el mismo caudal volumétrico, la mezcla no necesariamente transporta la misma cantidad de calor ni produce la misma pérdida de presión que el agua.

El rendimiento del intercambiador también se expresa habitualmente como:

Tasa de transferencia de calor = coeficiente global de transferencia de calor × superficie × diferencia de temperatura efectiva.

El coeficiente global combina la resistencia de ambas capas límite de los fluidos, de la pared y de cualquier depósito. La diferencia de temperatura efectiva refleja las temperaturas y la disposición del flujo. Por consiguiente, una capacidad de refrigeración indicada solo tiene sentido junto con sus temperaturas de entrada, caudales y composición del fluido especificados.

Una gran caída de temperatura únicamente en el lado caliente no es suficiente para demostrar una alta capacidad de refrigeración. Un caudal bajo puede producir un gran cambio de temperatura mientras transporta relativamente poco calor. Para evaluar el rendimiento es necesario considerar conjuntamente la diferencia de temperatura y el caudal.

Separación dentro de una CDU

Muchas unidades de distribución de refrigeración utilizan un intercambiador de calor de líquido a líquido entre un circuito de la instalación y un circuito de los equipos. El refrigerante que retorna de las placas frías entrega calor al intercambiador y después vuelve hacia los equipos a una temperatura más baja. El agua de la instalación absorbe ese calor y lo transporta hacia los equipos de rechazo de calor o hacia un sistema adecuado de recuperación de calor.

Esta separación permite que el circuito de los equipos mantenga una calidad del refrigerante adecuada para los estrechos pasos de las placas frías y los materiales en contacto con el fluido. También evita que las fluctuaciones normales de presión del lado de la instalación impongan directamente las mismas condiciones hidráulicas al circuito de los equipos.

Las tuberías circundantes deben conservar esta separación durante la instalación.Tuberías prefabricadas para refrigeración líquida están diseñadas y fabricadas específicamente para sistemas secundarios de refrigeración líquida. Sus puntos de conexión, limpieza e identificación de circuitos deben coincidir con la disposición de la CDU para que la instalación no introduzca residuos ni conexiones no deseadas entre los circuitos.

La recuperación del calor transferido requiere un nivel de temperatura compatible en la aplicación receptora. Un intercambiador transfiere el calor disponible; cuando se necesita una temperatura de suministro más alta, es necesario utilizar equipos adicionales, como una bomba de calor.

Cuándo se debilita la refrigeración o falla la barrera

Una reducción del rendimiento de refrigeración no indica automáticamente que los fluidos se estén mezclando. Las incrustaciones, los productos de corrosión o los depósitos biológicos añaden resistencia térmica. Los pasos obstruidos reducen el caudal efectivo, mientras que el gas atrapado deja parte de la superficie mal humedecida. Por tanto, unos síntomas similares en la temperatura de salida pueden deberse a diferentes causas físicas.

La pérdida de presión ayuda a distinguir estas condiciones cuando se compara con caudales y temperaturas de los fluidos similares. Un aumento de la pérdida de presión junto con una disminución de la transferencia de calor puede indicar pasos restringidos. Una reducción de la transferencia de calor sin un cambio comparable en la pérdida de presión puede apuntar a depósitos en las superficies, aunque también es necesario verificar los sensores de temperatura y el caudal real.

La contaminación cruzada requiere una vía de fuga, como una placa agrietada, un tubo dañado o una unión defectuosa. Si se desarrolla una abertura interna, la diferencia de presión generalmente impulsa el fluido desde el circuito de mayor presión hacia el circuito de menor presión. Algunas fallas de las juntas producen, en cambio, una fuga externa; el resultado depende de la disposición del sellado y de la ubicación de la falla.

Cuando las consecuencias de la contaminación cruzada requieren protección adicional, un intercambiador de doble pared con una vía adecuada de detección de fugas ofrece una forma de revelar una falla de la barrera antes de que las dos corrientes se comuniquen directamente. Su resistencia térmica adicional debe incluirse en el dimensionamiento. La integridad frente a la presión y el rendimiento de la transferencia de calor son requisitos independientes, y ambos deben ajustarse a las condiciones de funcionamiento previstas.