Embed Size (px)
DESCRIPTION
intercambiadores de calor en transferencia de calor
Citation preview
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA
ESPAÑA DE DURANGO
INGENIERÍA MÉCANICA EN MAQUINARIA
AUTOMOTRIZ
QUINTO CUATRIMESTRE
INTERCAMBIADORES DE CALOR
CATEDRÁTICO: ING. OBED GALVÁN LÓPEZ
ALUMNO: YERED ISAAC SERRANO HEREDIA
Victoria de Durango, Dgo., Junio de 2015
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN
INTERCAMBIADORES DE CALOR
Tipos de intercambio de calor
Mantenimiento de intercambiadores de calor.
Equipos de transferencia de calor más comunes en la industria.
CONCLUSIÓN
BIBLIOGRAFÍA
INTRODUCCIÓN
.
Transferencia de calor, en física, proceso por el que se intercambia energía en
forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo
cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante
convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener
lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine
sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una
casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un
quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe
calor del Sol casi exclusivamente por radiación.
El calor puede transferirse de tres formas: por conducción, por convección y
por radiación. La conducción es la transferencia de calor a través de un objeto
sólido: es lo que hace que el asa de un atizador se caliente aunque sólo la punta
esté en el fuego. La convección transfiere calor por el intercambio de moléculas
frías y calientes: es la causa de que el agua de una tetera se caliente
uniformemente aunque sólo su parte inferior esté en contacto con la llama. La
radiación es la transferencia de calor por radiación electromagnética
(generalmente infrarroja): es el principal mecanismo por el que un fuego calienta la
habitación.
El documento está hecho para introducir conceptos básicos en los alumnos de
Ingeniería Mecánica de la UNES, para en un futuro reafirmarlos. Espero sea de su
total agrado
INTERCAMBIADORES DE CALOR
Tipos de intercambio de calor
CONDUCCIÓN
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se
calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su
temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se
comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los
sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres
que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría
explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos
conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una
expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la
conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a
través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente
de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).
El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material.
Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas
elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el
amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores;
conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta
necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el
que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren
técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo;
en este caso, se habla de conducción térmica transitoria. Con la ayuda de
ordenadores (computadoras) analógicos y digitales, estos problemas pueden
resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de geometría complicada.
CONVECCIÓN
Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es
casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere
calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El
movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un
gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas
se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso
asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de
movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del
fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra
sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su
movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.
Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de
agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha
transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad
disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido
más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El
líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más
caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire
situado por encima. De forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la
cámara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el
aire situado junto al panel exterior —que está más frío— desciende, mientras que
al aire cercano al panel interior —más caliente— asciende, lo que produce un
movimiento de circulación.
El calentamiento de una habitación mediante un radiador no depende tanto de
la radiación como de las corrientes naturales de convección, que hacen que el aire
caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el
radiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los
radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado
cerca del techo) para que la eficiencia sea máxima. De la misma forma, la
convección natural es responsable de la ascensión del agua caliente y el vapor en
las calderas de convección natural, y del tiro de las chimeneas. La convección
también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie
terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas
y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie.
RADIACIÓN
La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la
convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto,
sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se
aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas
electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse
mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la
radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió
que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto
fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados
fotones y no como ondas. La naturaleza cuántica de la energía radiante se había
postulado antes de la aparición del artículo de Einstein, y en 1900 el físico alemán
Max Planck empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica
estadística para derivar una ley fundamental de la radiación. La expresión
matemática de esta ley, llamada distribución de Planck, relaciona la intensidad de
la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con
la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe
un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite
radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten
con una intensidad algo menor.
La contribución de todas las longitudes de onda a la energía radiante emitida se
denomina poder emisor del cuerpo, y corresponde a la cantidad de energía
emitida por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. Como puede
demostrarse a partir de la ley de Planck, el poder emisor de una superficie es
proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor de
proporcionalidad se denomina constante de Stefan-Boltzmann en honor a dos
físicos austriacos, Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884
respectivamente, descubrieron esta proporcionalidad entre el poder emisor y la
temperatura. Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante
sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la
temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir radiación,
todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito de
hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una
lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que
emite.
Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiación incidente.
Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben más calor que las
superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía
radiante que las superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha
radiación también son buenos emisores; las que reflejan mucha radiación y
absorben poco son malos emisores. Por eso, los utensilios de cocina suelen tener
fondos mates para una buena absorción y paredes pulidas para una emisión
mínima, con lo que maximizan la transferencia total de calor al contenido de la
cazuela.
Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de
transmitir grandes cantidades de radiación. Se observa experimentalmente que las
propiedades de absorción, reflexión y transmisión de una sustancia dependen de
la longitud de onda de la radiación incidente. El vidrio, por ejemplo, transmite
grandes cantidades de radiación ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un
mal transmisor de los rayos infrarrojos, de alta longitud de onda. Una
consecuencia de la distribución de Planck es que la longitud de onda a la que un
cuerpo emite la cantidad máxima de energía radiante disminuye con la
temperatura. La ley de desplazamiento de Wien, llamada así en honor al físico
alemán Wilhelm Wien, es una expresión matemática de esta observación, y afirma
que la longitud de onda que corresponde a la máxima energía, multiplicada por la
temperatura absoluta del cuerpo, es igual a una constante, 2.878 micrómetros-
Kelvin. Este hecho, junto con las propiedades de transmisión del vidrio antes
mencionadas, explica el calentamiento de los invernaderos. La energía radiante
del Sol, máxima en las longitudes de onda visibles, se transmite a través del vidrio
y entra en el invernadero. En cambio, la energía emitida por los cuerpos del
interior del invernadero, predominantemente de longitudes de onda mayores,
correspondientes al infrarrojo, no se transmiten al exterior a través del vidrio. Así,
aunque la temperatura del aire en el exterior del invernadero sea baja, la
temperatura que hay dentro es mucho más alta porque se produce una
considerable transferencia de calor neta hacia su interior.
Además de los procesos de transmisión de calor que aumentan o disminuyen
las temperaturas de los cuerpos afectados, la transmisión de calor también puede
producir cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua. En
ingeniería, los procesos de transferencia de calor suelen diseñarse de forma que
aprovechen estos fenómenos. Por ejemplo, las cápsulas espaciales que regresan
a la atmósfera de la Tierra a velocidades muy altas están dotadas de un escudo
térmico que se funde de forma controlada en un proceso llamado ablación para
impedir un sobrecalentamiento del interior de la cápsula. La mayoría del calor
producido por el rozamiento con la atmósfera se emplea en fundir el escudo
térmico y no en aumentar la temperatura de la cápsula.
Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre
dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en
contacto.
Son parte esencial de los dispositivos de calefacción, refrigeración,
acondicionamiento, producción de energía y procesamiento químico.
Un intercambiador típico es el radiador del motor de un automóvil, en el que el
fluido calo portador, calentado por la acción del motor, se enfría por la corriente de
aire que fluye sobre él y, a su vez, reduce la temperatura del motor volviendo a
circular en el interior del mismo.
CLASIFICACIÓN:
Los intercambiadores de calor pueden clasificarse según como sea:
Intercambiador de contacto indirecto alternativo, por rueda de inercia.
• Intercambiadores de contacto directo: son aquellos dispositivos en los que
los fluidos sufren una mezcla física completa.
• Intercambiadores de contacto indirecto:
1. Alternativos: ambos fluidos recorren un mismo espacio de forma alternada,
la mezcla entre los fluidos es despreciable.
2. 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.
Existen dos tipos de intercambiadores de contacto indirecto
• los cambiadores de flujo paralelo (intercambio líquido - líquido)
• los cambiadores de flujo cruzado (intercambio líquido - gas)
CLASIFICACIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR DE
SUPERFICIE:
Los intercambiadores de flujos paralelos, se utilizan generalmente para el
intercambio térmico líquido-líquido, mientras que los de flujos cruzados se utilizan
generalmente en el intercambio líquido-gas.
• Intercambiadores de calor tubulares:
El cambiador indirecto más simple es el cambiador de tubos concéntricos;
consta de dos tuberías concéntricas, una en el interior de la otra, circulando los
dos fluidos por el espacio anular y por la tubería interior. Los flujos pueden ser en
el mismo sentido (corrientes paralelas) o en sentido contrario (contracorriente).
• Transmisión de calor por conducción:
La conducción es la forma en que tiene lugar la transferencia de energía a
escala molecular. Cuando las moléculas absorben energía térmica vibran sin
desplazarse, aumentando la amplitud de la vibración conforme aumenta el nivel de
energía. Esta vibración se transmite de unas moléculas a otras sin que tenga lugar
movimiento alguno de traslación. En la transmisión de calor por conducción no hay
movimiento de materia. La conducción es el método más habitual de transmisión
de calor en procesos de calentamiento/enfriamiento de materiales sólidos opacos.
Si existe una gradiente de temperatura en un cuerpo, tendrá lugar una transmisión
de calor desde la zona de alta temperatura hacia la que está a temperatura más
baja. El flujo de calor será proporcional al gradiente de temperatura.
• Transmisión de calor por convección:
Cuando un fluido circula alrededor de un sólido, por ejemplo por el interior de
una tubería, si existe una diferencia de temperatura entre ambos, tiene lugar un
intercambio de calor entre ellos. Esta transmisión de calor se debe al mecanismo
de convección. El calentamiento y enfriamiento de gases y líquidos son los
ejemplos más habituales de transmisión de calor por convección. Dependiendo de
si el flujo del fluido es provocado artificialmente o no, se distinguen dos tipos:
forzada y libre (también llamada natural). La convección forzada implica el uso de
algún medio mecánico, como una bomba o un ventilador, para provocar el
movimiento del fluido. Ambos mecanismos pueden provocar un movimiento
laminar o turbulento del fluido.
Mantenimiento de intercambiadores de calor.
Análisis y solución de problemas del rendimiento de los intercambiadores de
calor
Los problemas de los intercambiadores de calor no siempre vienen
acompañados de los síntomas obvios, como fugas o mezcla de canales. Algunos
problemas son menores pero progresivos, lo que ocasiona mayor consumo de
energía y variabilidad de rendimiento. La suciedad, los depósitos, el sarro y otros
tipos de contaminación perjudican a los intercambiadores de calor de placas, ya
que les restan eficiencia y, además, pueden dañar equipos costosos y causar
tiempos de inactividad no programados para realizar las reparaciones.
Los datos de procesos del intercambiador de calor no se pueden estimar en el
análisis y la solución de problemas de rendimiento. Los datos relacionados con la
presión, la velocidad de flujo y la temperatura de las entradas y salidas de los
canales pueden indicar problemas con el flujo de entrada o salida. Vale la pena
gastar en los costos de instalación relacionados con la instrumentación, en
especial, de los intercambiadores esenciales para los procesos que asisten a los
operadores de señales cuando el proceso está por tornarse incontrolable.
Si las medidas y las inspecciones indican que está garantizada la limpieza y el
cambio de juntas, se pueden prevenir daños a las placas costosas con solo hacer
bien las cosas. El daño de las placas conduce a fugas, funcionamiento defectuoso
y menor vida útil del equipo
Procedimientos operativos estándar de los intercambiadores de calor
Los principios operativos estándar son de vital importancia para evitar daños a
la unidad:
1. En aplicaciones con vapor, nunca deje el vapor encendido con el lado del
líquido apagado. El vapor de debe apagar primero y encender último.
2. En caso de sospecha de golpe de ariete, se debe diagnosticar y eliminar el
problema, de lo contrario es posible que se ocasionen daños.
3. Siempre se deben encender las bombas con las válvulas cerradas.
4. Las válvulas deben estar configuradas para abrirse y cerrarse gradualmente.
Si abre y cierra las válvulas de manera repentina, el intercambiador sufrirá un
choque térmico y mecánico, que puede ocasionar la fatiga de los materiales.
El arranque y la parada de los equipos se deben realizar de modo que se
minimice la expansión diferencial. Signa los pasos indicados de arranque y parada
en orden.
Minimización de la contaminación
La velocidad de contaminación de la superficie de transferencia de calor se ve
afectada por la velocidad de los fluidos. Tranter recomienda aumentar la velocidad
de flujo a intervalos regulares, si es posible. La mayor turbulencia dentro del canal
retrasa la velocidad de contaminación. La frecuencia y duración de esta práctica
de limpieza preventiva variará según las velocidades de funcionamiento de los
fluidos y las tendencias a la contaminación del medio.
Mantenimiento de los intercambiadores de calor de placas
El mantenimiento del intercambiador de calor es de vital importancia para el
capacidad de control y la eficacia energética. Los gerentes de operaciones
rápidamente detectarán un problema y se comunicarán con usted. Entre los
problemas típicos, encontramos quejas relacionadas con la comodidad del interior,
productos no conformes a la norma, aumentos en las facturas de servicios
públicos y problemas relacionados. Los diagnósticos metódicos ahorrarán tiempo
y evitarán desperdiciar esfuerzos. Estas pautas deben estar incluidas en los
manuales de funcionamiento y mantenimiento de su intercambiador de calor.
Equipos de transferencia de calor más comunes en la industria.
Son diversos los usos que se le pueden acreditar a cada uno de los tipos de
intercambiadores existentes, pero en general, los intercambiadores son usados
para recuperar calor entre dos corrientes en un proceso. Por ejemplo para
algunos de los intercambiadores más usados actualmente, algunos de los usos
que se conocen son los siguientes: (solo se discutirán los casos mas comunes)
INTERCAMBIADORES DE PLACAS
• Para uso industrial desde Farmacéutico, Alimenticio, Químico,
Petroquímico, Plantas Eléctricas, Plantas Siderúrgicas, Marino y otros más.
• Torres de Enfriamineto secas.
• Calentadores de Agua y otros fluídos, mediante vapor.
• Enfriadores de Aceite.
• Recuperadores de Calor, particularmente con diferenciales cortos de
temperatura.
• Manejo de sustancias corrosivas, medias.
• Enfraidores de agua salada.
• Para cualquier aplicación donde se requieren diferenciales cortos de
temperatura.
• Para usos de refrigeración libres de congelación.
INTERCAMBIADORES COMPACTAS DE PLACAS SOLDADAS
• Para uso de Refrigeración: como Evaporadores, Condensadores,
Subenfriadores, Desupercalentadores y Evaporadores de
Cascada/Condensadores.
• Para Procesos tales como :
o Calentadores mediante vapor
o Condensador de vapor
o Enfriadores de Nitrógeno Líquido
o Enfriadores de Aciete Hidráulico, etc.
INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO:
• Adecuado para trabajar en aplicaciones líquido-líquido y en general para los
procesos donde los intercambiadores de placas no se puedan utilizar.
• Industrias Alimentaría, Química, Petroquímica, Farmacéutica, etc.
INTERCAMBIADORES DE CASCO Y TUBOS
• Vapor / Agua, para condensar vapor y / o calentar agua.
• Aceite / Agua, para enfriar aceite en sistemas de lubricación o hidráulicos y
transformadores electricos.
• Vapor / Combustóleo, para calentar combustóleo en tanques de
almacenamiento, fosas de recepción y estaciones de bombeo.
• Aire / Agua, para enfriar aire como Post-enfriadores de compresor de aire
(after - coolers).
• Refrigerante / Agua, para condesar refrigerantes.
• Intercambiadores de calor para procesos químicos y/ o petroquímicos;
fabricados en acero al carbón, acero inoxidable y / o aceros especiales.
• Chilers ( Intercambiadores de calor para enfriar agua con gas refrigerante )
para unidades de agua helada
• Inter - Enfriadores y Post - Enfriadores para compresores Atlas Copco.
• Inter - enfriadores y Post - Enfriadores para compresores Ingellson Rand.
INTERCAMBIADORES DE CASCO Y TUBO DE GRAFITO
• Para Procesos químicos altamente corrosivos ( Manejo de Acidos y bases
en bajas concentraciones).
• Diseño, fabricación y reparación.
CONCLUSIÓN
El propósito de un intercambiador de calor es transmitir el calor de un fluido a
otro. El intercambiador de calor es el componente esencial de muchos de los
artefactos que usamos a diario. Por ejemplo, los automóviles contienen un
intercambiador de calor que evita que el vehículo se sobrecaliente. Los aires
acondicionados también son ejemplos de intercambiadores de calor. El dispositivo
mecánico viene en distintas formas y tamaños. La construcción de un
intercambiador consiste en placas, carcasas y tubos.
El intercambiador de casco y tubos representa la categoría más fundamental y
común de intercambiadores de calor. El artefacto tiene un juego de tubos colocado
en un casco. El tubo tiene un fluido interno, conocido como fluido del tubo. El fluido
exterior es conocido como fluido del casco. Una membrana separa a ambos
fluidos. Los fabricantes usan tecnología de soldadura, también conocida como
enrollado y ajuste con prensa para hacer los tubos a prueba de filtraciones.
Este mecanismo de intercambiador de calor tiene placas en lugar de tubos, que
separan el fluido frío del caliente. Los dos fluidos se transfieren de atrás para
adelante entre las placas. Las placas individuales tienen un gran área superficial,
lo cual aporta mayor espacio para la transferencia de calor. Cuando se los
compara con un intercambiador de casco y tubos del mismo tamaño, los
intercambiadores de placas tienen mayor capacidad de transferencia de calor
debido a su mayor área de contacto. Los intercambiadores de tipo placa también
tienen una alta eficiencia en la transferencia.
BIBLIOGRAFÍA
BARRERO RIPOLL, A. ( 2005 ) Transferencia de Calor y Masa. Ed. McGraw Hill.
México.
GARCIA SOSA. Jorge. (2006). Fundamentos de la Transferencia de Calor.
Aeronautics Learning Laboratory for Science. USA.
GONZÁLEZ-SANTANDER MARTÍNEZ. Juan Luis. (2014). Transferencia de calor.
Ed. Reverte. México.
