FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

¿Qué es la de transferencia calor?

L
a transferencia de calor es el proceso físico de propagación del calor en distintos medios.

La subdisciplina de la física que estudia estos procesos se llama a su vez termodinámica.

La transferencia de calor es la determinación de las velocidades de dicha transferencia en donde el calor es la forma de energía que se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia en la temperatura. La transferencia de calor se ocupa de los sistemas en los que falta el equilibrio térmico y, por lo tanto, existe un fenómeno de no equilibrio. Las leyes de la termodinámica de la transferencia de calor rigen que en la primera ley se requiere que la velocidad de transferencia de energía hacia un sistema sea igual a la velocidad de incremento de energía de ese sistema, mientras que en la segunda ley se requiere que el calor se transfiera en la dirección de la temperatura decreciente.

Mecanismos de la Transferencia de Calor

El calor se puede transferir en tres modos diferentes: conducción, radiación y convección. Todos los modos de transferencia de calor requieren la existencia de una diferencia de temperatura y todos ellos ocurren desde el medio que posee la temperatura más elevada hacia uno de temperatura más baja, y la transferencia de calor se detiene cuando los dos medios alcanzan la misma temperatura.

Conducción

 

La conducción es la manera de transferir calor desde una masa de temperatura más elevada a otra de temperatura inferior por contacto directo. El coeficiente de conducción de un material mide la capacidad del mismo para conducir el calor a través de la masa del mismo. Los materiales aislantes tienen un coeficiente de conducción pequeño por lo que su capacidad para conducir el calor es reducida, de ahí su utilidad.

La conducción puede tener lugar en los sólidos, líquidos o gases. En los gases y líquidos la conducción se debe a las colisiones y a la difusión de las moléculas durante su movimiento aleatorio. En los sólidos se debe a la combinación de las vibraciones de las moléculas, ubicadas en posiciones más o menos fijas de una red cristalina y al transporte de energía por parte de los electrones libres

Convección

La transmisión de calor por convección es un intercambio de calor entre el aire y una masa material que se encuentran a diferentes temperaturas. El transporte del calor se produce por movimientos naturales debidos a la diferencia de temperaturas, el aire caliente tiende a subir y el aire frío baja, o bien mediante mecanismos de convección forzada.

Cuanto más rápido es el movimiento del fluido, mayor es la transferencia de calor por convección. En ausencia de cualquier movimiento masivo de fluido, la transferencia de calor entre una superficie sólida y el fluido adyacente es por conducción pura. La convección recibe el nombre de convección forzada si el fluido es forzado a fluir sobre la superficie mediante medios externos como un ventilador, una bomba o el viento. Por otro lado, se dice que es convección natural (o libre) si el movimiento del fluido es causado por las fuerzas de empuje que son inducidas por diferencia de densidades debidas a la variación de temperatura en ese fluido

Radiación

 

Es un mecanismo de transmisión de calor en el que el intercambio se produce mediante la absorción y emisión de energía por ondas electromagnéticas, por lo que no existe la necesidad de que exista un medio material para el transporte de la energía. El sol aporta energía exclusivamente por radiación.

La trasferencia de energía por radiación ocurre en los sólidos, líquidos y gases. En la mayor parte de las aplicaciones prácticas, los tres modos de trasferencia de calor ocurren de manera concurrente en grados variables. Pero la trasferencia a través de un espacio en el que se ha hecho el vacío solo puede ocurrir por radiación. El tipo de radiación electromagnética que resulta pertinente para la transferencia de calor es la radiación térmica emitida como resultado de las transiciones energéticas de las moléculas, los átomos y los electrones de una sustancia. La radiación térmica es emitida en forma continua por toda la materia cuya temperatura está por arriba del cero absoluto. Es decir, todo lo que nos rodea, como las paredes, los muebles y nuestros amigos, constantemente emite (y absorbe) radiación. La radiación térmica incluye toda la radiación visible y la infrarroja, así como parte de la ultravioleta.

Intercambiadores de Calor

 

El intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos fluidos, encontrándose éstos en contacto o separados por una barrera sólida. Se trata de componentes esenciales en los sistemas de climatización o refrigeración, acondicionamiento de aire, producción energética y procesamiento químico.

Para entender fácilmente el funcionamiento del intercambiador de calor, podemos tomar como referencia el radiador de cualquier vehículo. El motor calienta el fluido refrigerante. Este último se refresca por el contacto con las corrientes de aire, logrando así reducir la temperatura del primero tras circular por su interior.

El intercambiador de calor es un equipo de transferencia de calor empleado en procesos químicos con la finalidad de intercambiar calor entre dos corrientes de un proceso.

Los intercambiadores de calor pueden clasificarse según como sea:

Intercambiadores de contacto directo

 

Son aquellos dispositivos en los que los fluidos sufren una mezcla física completa.

 

Intercambiadores de contacto indirecto

 

Los intercambiadores de flujo paralelo (intercambio líquido - líquido) y los cambiadores de flujo cruzado (intercambio líquido - gas)

·         Alternativos: ambos fluidos recorren un mismo espacio de forma alternada, la mezcla entre los fluidos es despreciable.

·         De superficie: son equipos en los que la transferencia de calor se realiza a través de una superficie, cilíndrica o plana, sin permitir el contacto directo.

 

Intercambiadores de placas o tubos

 

Se trata de los dos tipos de intercambiadores de superficie que existen. Mientras los de placas usan una separación en forma de pared plana, los de tubos emplean uno cilíndrico (uno de los fluidos circula por su interior y el otro lo hace por el exterior).

Intercambiadores de coraza y tubo

 

Los intercambiadores del tipo de coraza y tubo constituyen la parte más importantes de los equipos de transferencia de calor sin combustión en las plantas de procesos químicos. (Aun cuando se está haciendo cada vez mayor hincapié en otros diseños). Consiste en una serie de tubos lineales colocados dentro de un tubo muy grande llamado coraza y representan la alternativa a la necesidad de una gran transferencia de calor.

En función del flujo

 

Los intercambiadores de calor pueden agruparse, igualmente, en función de la disposición de los fluidos. Dentro de los de paso único se encuentran los de flujo paralelo, en contracorriente o cruzado. En los primeros, las corrientes de ambos elementos discurren paralelas y en idéntica dirección. En los segundos, la circulación de los fluidos se produce en la misma dirección, pero en sentido contrario. Por último, los intercambiadores de flujo cruzado trabajan con dos corrientes, que forman un ángulo recto entre sí.

Intercambiadores de coraza y tubo 1-2

 

El intercambiador de calor de coraza y tubos es el más utilizado en la industria, está formado por una coraza y por multitud de tubos. Se clasifican por el número de veces que pasa el fluido por la coraza y por el número de veces que pasa el fluido por los tubos. En los intercambiadores de calor de paso múltiple se utiliza un número par de pasos en el lado del tubo y un paso o más por el lado de la coraza. Así por ejemplo el primer intercambiador que hay representado es 1-2, es decir, que el fluido circula una vez por la coraza y el que se encuentra en el interior de los tubos pasa dos veces.