- ¿Cómo funciona un intercambiador de calor de placas?
- El intercambiador de calor de placas es un bloque clave en la economía del hidrógeno
- ¿Cómo se utiliza un intercambiador de calor de placas en la desalinización de agua de mar?
- ¿Por qué son esenciales los intercambiadores de calor para la refrigeración del electrolito durante la producción de hidrógeno?
- ¿Qué tipo de intercambiador de calor debe utilizarse en qué tipo de electrolizador?
- ¿Cómo se utilizan los intercambiadores de calor de placas en aplicaciones de distribución?
- ¿Por qué los intercambiadores de calor optimizan el repostaje de hidrógeno
- ¿Cuál es el uso de los intercambiadores de calor de placas en conjunción con las pilas de combustible?
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¿Cómo funciona un intercambiador de calor de placas?
Los intercambiadores de calor son dispositivos que transfieren energía térmica de un flujo de medio a otro. Dependiendo del campo de aplicación, se trata de líquidos, gases o medios en la fase de transición entre su estado gaseoso y líquido. En este proceso, el calor siempre fluye del medio más caliente al más frío sin que los dos medios entren en contacto directo entre sí. De esta manera, estos se enfrían o calientan a lo largo de las distintas etapas del proceso de la cadena de valor.
En esencia, un intercambiador de calor de placas consiste en un paquete de placas que forman canales mediante la disposición invertida de dos placas. Los dos medios fluyen a través de estos canales alternativos sin que se mezclen. Un diseño especial de las placas garantiza una distribución y velocidad de flujo óptimas del medio respectivo, maximizando así la transferencia de calor.
Si un fluido fluye en forma de capas ordenadas, se habla de flujo laminar. Sin embargo, se deben evitar los flujos laminares en los intercambiadores de calor de placas, ya que la transferencia de calor es muy deficiente. El flujo laminar afecta negativamente al coeficiente general de transferencia de calor. En cambio, es muy deseable un flujo turbulento, que se logra en el diseño de intercambiadores de calor mediante una disposición especial de las placas en el intercambiador de calor de placas y bastidor. Esto garantiza que el fluido se arremoline hasta formar un flujo turbulento incluso a bajas velocidades de flujo, lo que da como resultado una mejor transferencia de calor y una mayor transferencia de la salida de calor del intercambiador de calor de placas.
La elección correcta del material de las placas también es muy importante para garantizar una buena conductividad térmica. Para aplicaciones especiales, como requisitos de alta presión o medios especialmente exigentes, los intercambiadores de calor de placas deben configurarse individualmente y equiparse con el material de placa adecuado. Con una gama de opciones, como versiones con juntas, intercambiadores de calor de placas soldados o diseños de intercambiadores de calor de placas planas, y aparatos soldados de diferentes tamaños, siempre habrá disponible un ajuste perfecto para la aplicación en cuestión.
El intercambiador de calor de placas es un bloque clave en la economía del hidrógeno
A lo largo de toda la cadena de valor de la economía del hidrógeno se utilizan intercambiadores de calor de placas de distintos tipos. Se emplean tanto en procesos de generación de electricidad a partir de fuentes de energía renovables como en la producción de hidrógeno mediante electrólisis, así como en el tratamiento de aguas que en ocasiones se requiere para ello. El hidrógeno generado mediante electrólisis se transporta a continuación a través de las redes de distribución y es utilizado por los usuarios finales como fuente de energía y materia prima para otros procesos de producción. Por ejemplo, el hidrógeno es un componente esencial en los procesos de producción química y, al mismo tiempo, una importante fuente de energía en los sectores de la industria, la construcción y la movilidad.
Intercambiador de calor de placas en la economía del hidrógeno
¿Cómo se utiliza un intercambiador de calor de placas en la desalinización de agua de mar?
Para producir 1 kilogramo de hidrógeno se necesitan unos 15 litros de agua desionizada, con unos requisitos de calidad comparables a los del agua potable. Para conservar los recursos de agua potable, el uso de agua de mar tratada es una solución sostenible en las regiones costeras. Después de la filtración, el agua se prepara para el proceso de electrólisis con la ayuda de una planta desalinizadora. En la evaporación al vacío, el calor residual del electrolizador se utiliza para desmineralizar el agua. Los generadores de agua dulce funcionan como evaporadores y condensadores, separando las moléculas de sal de las moléculas de agua y recogiendo el agua desalinizada como condensado. Si es necesario, esta agua se desioniza en un paso posterior y se puede utilizar en el proceso de electrólisis.
Esta mayor eficiencia mediante el uso del calor residual del proceso de electrólisis para la desalinización del agua es especialmente útil en aplicaciones marinas.
¿Por qué son esenciales los intercambiadores de calor para la refrigeración del electrolito durante la producción de hidrógeno?
Durante el proceso de electrólisis del hidrógeno, se genera calor a través de la reacción química en los electrodos inducida por la corriente aplicada en los mismos. Un sistema con un rendimiento del 65% libera el 35% de la energía eléctrica aplicada en forma de calor. Este calor puede eliminarse del proceso mediante intercambiadores de calor de placas, de modo que el hidrógeno pueda producirse en condiciones óptimas y no se supere la temperatura máxima deseada. El electrolito, que es agua desmineralizada en el caso de la electrólisis de membrana de electrolito polimérico (PEM) o una mezcla de hidróxido de potasio y agua en el caso de la electrólisis alcalina (AEL), se enfría mediante otro medio refrigerante. La máxima eficacia se consigue utilizando intercambiadores de calor con placas especialmente diseñadas que se integran en el circuito y garantizan una refrigeración constante del fluido del proceso. En este caso, el material de las placas es crucial. Debe evitarse la corrosión y optimizarse la calidad del hidrógeno y la longevidad de los electrolizadores.
El coste energético global puede reducirse si el calor residual de la electrólisis puede introducirse en las redes de calefacción urbana o devolverse al proceso en otro lugar, como en la planta desalinizadora de agua mencionada anteriormente.
¿Qué tipo de intercambiador de calor se debe utilizar en qué tipo de electrolizador?
1. Intercambiadores de calor para electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM):
Los intercambiadores de calor de placas de acero inoxidable (aleación 316) se utilizan en la electrólisis PEM para evitar la fragilización por hidrógeno del material de las placas. Los intercambiadores de calor compactos completamente soldados son adecuados para plantas más pequeñas de hasta aproximadamente un megavatio, mientras que los intercambiadores de calor con juntas se utilizan en plantas más grandes.
Los intercambiadores de calor de placas semisoldados y soldados tienen una alta resistencia a la presión y ofrecen varias ventajas en la producción de hidrógeno. Por ejemplo, los electrolizadores pueden funcionar a una presión de más de 30 bar. Esto es favorable para el almacenamiento de hidrógeno, ya que se debe realizar menos trabajo de compresión posteriormente y aumenta la eficiencia general de la planta.
2. Intercambiadores de calor para electrolizadores AEL:
La electrólisis AEL requiere intercambiadores de calor con placas fabricadas con material resistente a la corrosión, como el níquel, que puedan soportar la mezcla de hidróxido de potasio y agua. En este caso, se suelen utilizar intercambiadores de calor de placas semisoldadas, soldadas en el lado que lleva el hidróxido de potasio para protegerlas contra fugas. En el lado del medio de servicio se utilizan juntas.
3. Intercambiadores de calor para electrolizadores de alta temperatura:
La electrólisis de alta temperatura (HTE, por sus siglas en inglés) es una tecnología relativamente nueva que aún se encuentra en desarrollo. El proceso de producción de hidrógeno se lleva a cabo a unos 800 °C y esta alta temperatura requiere intercambiadores de calor de gas a líquido (GTL, por sus siglas en inglés). La recuperación de calor reduce el costo de la HTE. Los intercambiadores de calor de gas a líquido cuentan con placas especialmente diseñadas y un volumen de canal asimétrico, lo que minimiza la caída de presión. En comparación con los intercambiadores de calor de carcasa y tubos, ofrecen una mayor eficiencia térmica y requieren hasta un 75 % menos de espacio en el piso.
¿Cómo se utilizan los intercambiadores de calor de placas en aplicaciones de distribución?
El enfriamiento de gases de hidrógeno y oxígeno es fundamental para el transporte de estos gases, ya que el hidrógeno, por ejemplo, tiene una densidad muy baja de aproximadamente 0,09 gramos por litro a presión atmosférica y temperatura normales. Al comprimir y enfriar el gas con el uso de intercambiadores de calor de placas, se puede aumentar la densidad y, en consecuencia, la masa transportada para un volumen de transporte determinado. Los intercambiadores de calor de placas de acero inoxidable soldados son los más adecuados para este propósito debido a su resistencia a la presión.
¿Por qué los intercambiadores de calor optimizan el reabastecimiento de hidrógeno?
Durante el repostaje de hidrógeno, el hidrógeno debe enfriarse a una temperatura de alrededor de -40 °C para evitar que el gas se sobrecaliente. Para ello, se necesitan intercambiadores de calor capaces de soportar el hidrógeno a presiones extremas, como los 350 o 700 bares que se encuentran normalmente en las aplicaciones de repostaje de hidrógeno.
Los intercambiadores de calor de circuito impreso (PCHE), que deben su robustez a una tecnología de soldadura especial, son ideales para esto. Las estaciones de repostaje de hidrógeno que utilizan estos intercambiadores de calor permiten repostar vehículos sin tener que esperar entre operaciones de repostaje (repostaje consecutivo). Gracias a su diseño extremadamente compacto, estos intercambiadores de calor se pueden integrar fácilmente en los dispositivos dispensadores con bajos costes de instalación.
¿Cuál es la utilidad de los intercambiadores de calor de placas junto con las pilas de combustible?
En las pilas de combustible, el hidrógeno reacciona con el oxígeno para producir electricidad y calor, así como agua como subproducto. Durante el proceso de conversión, es necesario proporcionar una refrigeración continua de las pilas de combustible para garantizar la máxima eficiencia de la pila de combustible de hidrógeno. La energía eléctrica de los electrodos de la pila de combustible se puede utilizar directamente, mientras que el calor residual generado en forma de vapor de agua se puede aprovechar a través de un intercambiador de calor de placas mediante el proceso de condensación, por ejemplo, para la calefacción de edificios. Los intercambiadores de calor de placas de gas a líquido soldados por fusión son especialmente adecuados para este fin.
De este modo, en el futuro se podrán sustituir los sistemas de cogeneración tradicionales con motores de combustión interna por una tecnología de pilas de combustible nueva y respetuosa con el medio ambiente.
Contenido aportado por Alfa Laval
Alfa Laval es una empresa sueca internacional activa en las áreas de energía, marina y alimentación y agua, ofreciendo su experiencia, productos y servicios a una amplia gama de industrias en unos 100 países. Con nuestra amplia cartera de tecnologías térmicas y de separación, proporcionamos soluciones para facilitar la transición al hidrógeno verde. En la producción de electrolizadores (PEM, alcalinos o SOEC), ofrecemos intercambiadores de calor de placas eficientes para el enfriamiento de electrolitos, hidrógeno y oxígeno. Nuestra cartera de intercambiadores de calor de placas también incluye tecnologías de desalinización que le permiten utilizar agua de mar o de río en su producción, lo que es ideal si opera una planta offshore. Y nuestras soluciones de transferencia de calor hacen posible recuperar y reutilizar el calor residual del electrolizador para desalinizar agua, o para otros fines sostenibles, como la calefacción urbana. Estamos presentes tanto en la producción como en el almacenamiento, con soluciones únicas para la compresión y el enfriamiento, así como innovadores intercambiadores de calor de circuito impreso para estaciones de repostaje. Alfa Laval ha dedicado décadas al desarrollo de tecnologías de intercambiadores de calor de placas altamente eficientes y robustas. Desde nuestra técnica de unión por fusión que permite un rendimiento fiable a temperaturas muy altas, hasta soluciones de gas a líquido que pueden manejar requisitos de flujo extremadamente desiguales, podemos ofrecer tecnologías únicas perfectas para el desarrollo de pilas de combustible.
Última actualización: 15.01.2023