I. Fundamentos de la Transferencia de Calor

Viscosidad

La viscosidad es una medida de la resistencia de un fluido a fluir. A mayor viscosidad, el líquido fluye de modo más lento. La viscosidad de un líquido comúnmente disminuye cuando aumenta la temperatura; por lo que las melazas más calientes fluyen más rápido que las melazas frías. Se puede medir en unidades de cp = gramos por centímetro por segundo (centipoise) ó en el caso de viscosidad cinemática St = 1cm/s (Stokes).

Convección

Convección Forzada

En la convección forzada se obliga al fluido a fluir mediante medios externos, como un ventilador o una bomba. En la convección natural, el movimiento del fluido es debido a causas naturales, como el efecto de flotación, el cual se manifiesta con la subida del fluido caliente y el descenso del fluido frío.

Convección Natural

En la convección natural, el flujo resulta solamente de las diferencias de temperaturas del fluido en la presencia de una fuerza gravitacional. La densidad de un fluido disminuye con el incremento de temperaturas. En un campo gravitacional, dichas diferencias en densidad causadas por las diferencias en temperaturas originan fuerzas de flotación. Por lo tanto, en la convección natural, las fuerzas de flotación generan el movimiento del fluido.

Convección Forzada para el Flujo Laminar

La convección forzada para el flujo laminar no es más que el perfil de velocidades en régimen laminar isotérmico desarrollado es parabólico, pero al existir calentamiento o enfriamiento este puede deformarse por el efecto térmico en la viscosidad y demás propiedades.

Convección Forzada para el Flujo Turbulento

Una definición precisa de lo que es convección forzada para el flujo turbulento sería: la transferencia de calor por convección forzada a un fluido que se desplaza con movimiento turbulento por una tubería es uno de los sistemas industriales más comunes. Los coeficientes de transferencia del calor son mayores con flujo turbulento que en régimen laminar y el diseño trata de aprovechar esa circunstancia.

Convección Natural para el Flujo sobre Superficie

Es frecuente que una sustancia experimente un cambio de temperatura cuando se transfiere energía entre ella y su entorno. Hay situaciones, sin embargo, en las que la transferencia de energía no resulta en un cambio de temperatura. Éste es el caso siempre que las características físicas de la sustancia cambien de una forma a la otra; a este cambio se conoce comúnmente como cambio de fase.

II. Transferencia de Calor con Cambio de Fase

Transferencia de Calor en Cambio de Fase

Es frecuente que una sustancia experimente un cambio de temperatura cuando se transfiere energía entre ella y su entorno. Hay situaciones, sin embargo, en las que la transferencia de energía no resulta en un cambio de temperatura. Éste es el caso siempre que las características físicas de la sustancia cambien de una forma a la otra; a este cambio se conoce comúnmente como cambio de fase. Dos cambios de fase comunes son de sólido a líquido (fusión) y de líquido a gas (ebullición). Todos estos cambios de fase corresponden a un cambio en energía interna, pero ningún cambio en temperatura.

Transferencia de Calor en la Condensación

Al hablar de la transferencia de calor en la condensación nos referimos a que tiene lugar cuando un vapor se pone en contacto con una superficie a temperatura menor que la temperatura de saturación del vapor a la presión existente.

Transferencia de Calor por Ebullición

La ebullición no es más el proceso físico en el que la materia pasa a estado gaseoso. Se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión. Si se continúa calentando el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura.

III. Intercambiadores de Calor

Intercambio de Calor

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 refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.

Tipos de Intercambiadores

Los intercambiadores de calor se pueden clasificar basándose en:

• Clasificación por la distribución de flujo
• Clasificación según su aplicación

Clasificación por la Distribución de Flujo

• Flujo en Paralelo: Los fluidos caliente y frío entran por el mismo extremo del intercambiador, fluyen a través de él en la misma dirección y salen por el otro extremo.
• Flujo en Contracorriente: Los fluidos caliente y frío entran por los extremos opuestos del intercambiador y fluyen en direcciones opuestas.
• Flujo Cruzado de un Solo Paso: Un fluido se desplaza dentro del intercambiador perpendicularmente a la trayectoria del otro fluido.
• Flujo Cruzado de Paso Múltiple: Un fluido se desplaza transversalmente en forma alternativa con respecto a la otra corriente de fluido.

Clasificación Según su Aplicación

Para caracterizar los intercambiadores de calor basándose en su aplicación se utilizan en general términos especiales. Los términos empleados para los principales tipos son:

• Calderas: Las calderas de vapor son unas de las primeras aplicaciones de los intercambiadores de calor. Con frecuencia se emplea el término generador de vapor para referirse a las calderas en las que la fuente de calor es una corriente de un flujo caliente en vez de los productos de la combustión a temperatura elevada.
• Condensadores: Los condensadores se utilizan en aplicaciones tan variadas como plantas de fuerza de vapor, plantas de proceso químico y plantas eléctricas nucleares para vehículos espaciales. Los tipos principales son los condensadores de superficie, los condensadores de chorro y los condensadores evaporativos.
• Intercambiadores de Calor de Coraza y Tubos: Las unidades conocidas con este nombre están compuestas en esencia por tubos de sección circular montados dentro de una coraza cilíndrica con sus ejes paralelos al aire de la coraza. Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador; las diferencias dependen de la distribución de configuración de flujo y de los aspectos específicos de construcción. La configuración más común de flujo de intercambiadores líquido-líquido de coraza y tubos.
• Torres de Enfriamiento: Las torres de enfriamiento se han utilizado ampliamente para desechar en la atmósfera el calor proveniente de procesos industriales en vez de hacerlo en el agua de un río, un lago o en el océano.
• Intercambiadores Compactos de Calor: La importancia relativa de criterios tales como potencia de bombeo, costo, peso y tamaño de un intercambiador de calor varía mucho de una instalación a otra, por lo tanto no es siempre posible generalizar tales criterios con respecto a la clase de aplicación.
• Radiadores para Plantas de Fuerza Espaciales: La remoción del calor sobrante en el condensador de una planta de fuerza que produce la electricidad para la propulsión, el comando y el equipo de comunicaciones de un vehículo espacial presenta problemas serios aún en plantas que generan sólo unos pocos kilovatios de electricidad.
• Regeneradores: En los diversos tipos de intercambiadores que hemos discutido hasta el momento, los fluidos frío y caliente están separados por una pared sólida, en tanto que un regenerador es un intercambiador en el cual se aplica un tipo de flujo periódico. Es decir, el mismo espacio es ocupado alternativamente por los gases calientes y fríos entre los cuales se intercambia el calor.
• Efectividad de un Intercambiador: Cuando entramos al tema de efectividad de un intercambiador nos referimos a la razón de la transferencia de calor lograda en un intercambiador de calor a la máxima transferencia posible, si se dispusiera de área infinita de transferencia de calor. A la mayor razón de capacidad se le designa mediante C y a la menor capacidad mediante c.

IV. Generación de Calor

Generación de Calor

La generación de calor es consecuencia de la fricción de trabajo en seco o por el manejo de productos viscosos en procesos mismos que no logran penetrar entre las caras de contacto y no generan la película interfacial requerida.

Máquinas Generadoras de Calor

Como ya sabemos la generación de calor se refiere a la conversión de alguna forma de energía, en energía térmica sensible, por lo que se ha creado máquinas de generación de calor por energía eléctrica o por combustible sólido. Los altos costos de los combustibles nos obligan a buscar alternativas económicas para generar energía calorífica. En esta búsqueda nos damos cuenta que existen varias fuentes de suministro de combustibles de bajo costo, como lo son la mayoría de los residuos celulósicos y plásticos, que, dentro de un mínimo tratamiento, son capaces de liberar energía para emplearse en diversos procesos en los que se requiere calor.