Aletas de Transferencia de Calor

Las aletas mejoran la transferencia de calor de una superficie al exponer un área más grande a la convección y la radiación. Están hechas de materiales intensamente conductores. Cuando se usan aletas hechas de materiales con baja conductividad térmica (ε_aleta<1), la aleta actúa como aislamiento, retardando la transferencia de calor desde la superficie.

Eficiencia y Efectividad de una Aleta

• A) Eficiencia: Representa la transferencia de calor real desde una aleta frente a la transferencia de calor ideal desde la aleta si estuviera toda a temperatura base.
• B) Efectividad: Compara la transferencia de calor con aletas frente a la transferencia sin aletas de un elemento:
  • ε = 1: No tiene sentido añadir aletas.
  • ε < 1: Actúa como aislante.
  • ε > 1: Mejoran la transferencia de calor.

Transferencia desde la Punta de una Aleta

Para aletas de espesor constante, el espesor t es demasiado pequeño en relación con la longitud L de la propia aleta y, entonces el área de la punta de ésta es despreciable. Q_{punta aleta} = 0

Número de Fourier

Es un número adimensional que caracteriza la conducción de calor. Es la relación entre la velocidad de la conducción de calor y la velocidad del almacenamiento de energía. Fo = α*t/L²

Análisis de Sistemas Concentrados

Cuando la temperatura interior permanece uniforme en todo momento durante un proceso de transferencia de calor. La temperatura de esos cuerpos se puede tomar sólo como una función del tiempo, T(t). Se supone una distribución uniforme de temperatura en todo el cuerpo, el cual es el caso sólo cuando la resistencia térmica de éste a la conducción de calor (la resistencia a la conducción) sea cero.

Capacidad Calorífica en Intercambiadores de Calor

Representa la velocidad de la transferencia de calor necesaria para cambiar la temperatura de una corriente en 1°C conforme fluye por el intercambiador de calor. La elevación de la temperatura de un fluido frío es igual a la caída de temperatura del fluido caliente es cuando las razones de capacidad calorífica de los dos fluidos son iguales. Un fluido absorbe o libera una gran cantidad de calor a temperatura constante durante un proceso de cambio de fase. La capacidad calorífica de un fluido durante este proceso debe ser infinito, puesto que la variación de temperatura es casi cero.

Desviadores o Baffles

Es común la colocación de desviadores o baffles en la carcasa para forzar al fluido a moverse en dirección transversal a dicha carcasa con el fin de mejorar la transferencia de calor, y también para mantener un espaciamiento uniforme entre los tubos.

Flujo Cruzado y Contraflujo

• A) Flujo cruzado: En los intercambiadores de flujo cruzado, los fluidos se mueven de manera perpendicular entre sí. Se dice que es mezclado cuando el fluido tiene total libertad para moverse, mientras el no mezclado presenta unas aletas en forma de placa que obligan al fluido a moverse entre ellas e impide el movimiento transversal.
• B) Contraflujo: En un intercambiador de calor de contraflujo, los fluidos entran en el intercambiador por extremos opuestos y fluyen de forma paralela en direcciones contrarias.

Saturación Adiabática y Humidificación

• A) Saturación adiabática: En un proceso de saturación adiabática no hay intercambio de calor y el aire a la salida tiene una temperatura de saturación adiabática.
• B) Humidificación con aporte o extracción de calor: Se humidifica el aire, pero obtenemos unas condiciones diferentes a las adiabáticas añadiendo o extrayendo calor.

Deshumidificación por Enfriamiento y Enfriamiento Sensible

• A) Deshumidificación por enfriamiento: Consiste en enfriar el aire hasta una temperatura inferior a la del punto de rocío, se hace pasar por una batería de refrigeración, formada por un conjunto de tubos con aletas. Por el interior circula un refrigerante (un gas o un líquido) a baja temperatura, el aire se hace pasar por fuera de los tubos y, al entrar en contacto con la superficie exterior de los tubos y aletas, se enfría.
• B) Enfriamiento sensible: Consiste en enfriar aire, sin que se produzca condensación del vapor de agua. Para esto es necesario que el enfriamiento llegue a una temperatura mayor que el punto de rocío.

Confort Higrotérmico

Factores que influyen en el confort higrotérmico de las personas:

• Temperatura del aire
• Humedad relativa
• Temperatura radiante de las superficies interiores
• Velocidad del aire

Evitar la Zona de Niebla

Después de la mezcla de aire exterior con aire de recirculación, se propone hacer el calentamiento sensible y, a continuación, la humidificación.

Ciclos de Compresión Mecánica de Vapor

Al seleccionar un ciclo de compresión mecánica de vapor, se deben considerar:

• Rendimiento y producción frigorífica
• Construcción y tipo del compresor
• Seguridad
• Facilidad de aprovisionamiento

Rectificador y Regenerador en Sistemas de Refrigeración por Absorción

• A) Rectificador: Separa el agua del vapor rico en NH₃ y la devuelve al generador.
• B) Regenerador: Transmite una parte del calor de la solución caliente a la solución enriquecida que sale de la bomba.

Sustancias Utilizadas en Sistemas de Refrigeración por Absorción

El más utilizado es el amoniaco-agua, donde el amoniaco (NH₃) sirve como el refrigerante y el agua (H₂O) es el medio de transporte. Otros sistemas son los de agua-bromuro de litio (hasta +6ºC) y el de agua-cloruro de litio, en los que el agua sirve como refrigerante. Los últimos dos sistemas están limitados a aplicaciones como el acondicionamiento de aire.

Mezclas de Refrigerantes

• A) Mezcla Azeotrópica: Refrigerantes compuestos por una sustancia binaria que se comporta como un compuesto puro y que mantiene la misma composición tanto en la evaporación como en la condensación.
• B) Mezcla Zeotrópica: Refrigerante compuesto por una sustancia ternaria que no tiene la misma mezcla en la evaporación o condensación a una presión constante.

Clasificación de Sistemas de Refrigeración según el R.D. 138-2011 (RSIF)

• A) Sistemas directos: Cuando el evaporador o el condensador del sistema de refrigeración está en contacto directo con el medio que se enfría o calienta.
• B) Sistemas indirectos: Cuando el evaporador o el condensador está situado fuera del local en donde se extrae o cede calor al medio a tratar, enfría o calienta un fluido secundario que se hace circular por unos intercambiadores para enfriar o calentar el medio citado.

Cualidades Principales de los Captadores de Energía Solar Térmica

• Captar la mayor cantidad posible de energía procedente del Sol.
• Convertir la mayor cantidad posible de energía solar captada en energía térmica.
• Transferir la mayor cantidad posible de energía térmica al fluido portador.
• Menor coste económico posible.

Clasificación de Captadores Solares

• A) Baja temperatura (T < 150ºC): Agua caliente sanitaria (ACS), calefacción, refrigeración, climatización de piscinas y procesos industriales.
• B) Media temperatura (150ºC < T < 400ºC): Procesos industriales.
• C) Alta temperatura (400ºC < T < 750ºC): Producción de electricidad.

Captadores Solares Térmicos de Vacío (Vacuum Collectors)

• A) Ventajas:
  • Alcanza mayores temperaturas.
  • Pérdidas térmicas reducidas.
  • Mayor producción a mayor temperatura.
  • No necesita aislante interior.
• B) Inconvenientes:
  • Mayor exigencia a los materiales.
  • Mayor coste por unidad de área de apertura.
  • Mayor coste de la energía producida a temperaturas medias-bajas.

Válvula Reductora en el Circuito de Compresión de Vapor

En este circuito, el refrigerante entra en estado líquido y se expande, bajando su presión desde la alta presión a la baja presión, disminuyendo la temperatura. Una parte del líquido se transforma en vapor.

Batería de Refrigeración

Está constituida por un conjunto de tubos provistos de aletas, por el interior de los cuales circula un refrigerante. El aire pasa por fuera de los tubos, que al entrar en contacto con la superficie exterior de los mismos, se enfría.

Métodos de Análisis de Intercambiadores de Calor

• LMTD (Diferencia Logarítmica de Temperaturas): Se usa para seleccionar un intercambiador de calor que logre un cambio de temperatura específico de una corriente de fluido de gasto de masa conocido. Para casos de intercambiadores de flujo cruzado y de tubos y carcasa de pasos múltiples es conveniente relacionar la diferencia equivalente de temperatura con la relación de LMTD. Este método se emplea para calcular el área superficial de transferencia de calor a partir de las temperaturas de entrada y salida, y del balance de energía.
• Método de efectividad-NTU: En este caso se conoce el área superficial para la transferencia de calor, pero se ignoran las temperaturas de salida. Hay que determinar el rendimiento con respecto a la transferencia de calor, para lo cual se requiere saber las temperaturas de entrada y los gastos de masa de los fluidos. La efectividad ε depende de la configuración geométrica del intercambiador. A través de una tabla se conoce la efectividad ε, teniendo NTU y la relación de capacidades C = C_min/C_max.

Tipos de Compresores

• Alternativos de pistón: Son máquinas de desplazamiento positivo donde el gas se comprime por medio de émbolos.
  • Abierto: Existe riesgo de fuga por el sello mecánico, pero tiene como ventaja que el motor eléctrico está separado del circuito frigorífico.
  • Hermético: No existe riesgo de fuga, pero es totalmente inaccesible para intervenir en él.
  • Semi-hermético: Reúne ventajas e inconvenientes de ambos.
• Rotativos: Son adecuados para aplicaciones donde se requiere un desplazamiento volumétrico elevado a presiones moderadas. Existen varios tipos: de paletas, de émbolos radiales, de émbolos axiales, etc.
• Compresor SCROLL: Tipo rotativo, tiene solo una espiral móvil acoplada al eje del compresor, que sigue la trayectoria de la espiral fija que está acoplada al cuerpo del compresor. La descarga de presión se produce en el centro, provocada por el desplazamiento de los compartimentos de gas creados por el movimiento orbital de la espiral.
• Compresores de tornillo/helicoidal: Tienen 2 o 3 rotores en forma de hélice. Los rotores giran en sentido contrario. El gas, debido al giro, queda prisionero entre los espacios del estator, siendo transportado de un extremo al otro del engranaje donde se hallan la admisión y el escape.
• Turbocompresores: Un turbocompresor está constituido por un rotor que gira en el interior de una carcasa; el rotor está conformado por un conjunto de álabes o paletas y el vapor es obligado a pasar por el espacio libre entre cada dos álabes. El movimiento del rotor aumenta la velocidad del vapor, transformándose la energía cinética en energía de presión a través de un difusor.

Diferencias entre compresores rotativos y alternativos:

• La ausencia de desplazamientos alternativos reduce vibraciones.
• El gasto másico del gas es menos pulsante.
• Es más silencioso.

Tipos de Intercambiadores de Calor

• Tubos concéntricos: Uno de los fluidos pasa por el interior del tubo más pequeño y el otro pasa por el espacio anular entre los dos tubos. Dos tipos de disposición de flujos:
  • Flujo paralelo: Los dos fluidos (frío y caliente) entran en el intercambiador por el mismo extremo y se mueven en la misma dirección.
  • Contraflujo: Los dos flujos entran por extremos opuestos y fluyen en direcciones opuestas.
• Compacto: Diseñado para conseguir un gran área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen. Son de uso común en aplicaciones con limitaciones estrictas con respecto al peso y el volumen. Los flujos suelen moverse de manera perpendicular entre sí (flujo cruzado).
• Carcasa y tubos: Son muy comunes. Contienen una gran cantidad de tubos. Para lograr la transferencia de calor, uno de los fluidos fluye por el interior de los tubos y el otro por fuera de estos, pasando por la carcasa. Es común la colocación de baffles en la carcasa para que el fluido se mueva en dirección transversal a la misma para aumentar la transferencia de calor.
• Placas y armazón (PHE): Consta de una serie de placas con pasos corrugados. Los fluidos fluyen en pasos alternados, es decir, a una corriente de fluido frío la rodean dos corrientes de fluido caliente, de esta manera se aumenta la transferencia de calor de forma eficaz en un volumen reducido. Este tipo de intercambiadores pueden crecer aumentando el número de placas para una mayor demanda de transferencia de calor.
• Regenerativo:
  • Estático: Los fluidos frío y caliente fluyen a través de una masa porosa (gran capacidad de almacenamiento de calor) de manera alternada. El calor pasa del fluido a la matriz, y de esta al fluido frío, por lo que la matriz sirve como almacenamiento temporal de calor.
  • Dinámico: Consta de un tambor giratorio, el cual sirve como medio de transporte del calor entre el fluido caliente y el frío.

Factor F en Intercambiadores de Calor

Si F=1, se trata de un intercambiador de contraflujo. Si F<1, es de flujo cruzado o uno de casco y tubo de pasos múltiples.

Número de Biot

El número de Biot es la razón de la resistencia interna de un cuerpo a la conducción de calor con respecto a su resistencia externa a la convección de calor. Por lo tanto, un número pequeño de Biot representa poca resistencia a la conducción del calor, y por tanto, gradientes pequeños de temperatura dentro del cuerpo.

Aletas Soldadas vs. Aletas Fundidas

Las aletas fundidas son mejores que las aletas soldadas, ya que en las fundidas se comportan como una aleta homogénea (mismo material) y en el otro caso se añadiría un material de aporte para realizar la soldadura, y este material puede disminuir la conductividad del conjunto y por tanto obtener una menor eficiencia.

Factor de By-Pass

Este factor es una forma de indicar la eficiencia de la misma. Un factor bajo indica una buena efectividad. Esta relación se utiliza para determinar la temperatura de salida del aire de la batería. F=(t₂-t₂‘)/(t₁-t₂‘) T₁ es temperatura a la entrada, T₂ temperatura a la salida y T₂‘ temperatura de rocío de la batería (es la ideal).

Coeficiente de Transferencia de Calor Total (U)

El coeficiente total de transferencia de calor “U” se define como la intensidad total de transferencia de calor a través de un material. El factor “U”, como se le denomina comúnmente, es el coeficiente de transferencia de calor resultante después de tener en cuenta la conductividad térmica y la conductancia de la capa superficial.