Intercambiadores de calor
Este tipo de equipos esta presente en nuestra vida cotidiana, si bien adopta unos nombres específicos, generalmente en base a su función o tipo de trabajo; como ejemplo podemos citar los radiadores, de coche y de calefacción, los cuales, a nivel técnico, no son más que intercambiadores agua/aire; el “intercooler” que no es más que un intercambiador aire/aire; finalmente debe citarse a la nevera como representante más común del ciclo frigorífico, en la que tenemos dos intercambiadores, uno dentro, el llamado evaporador, el cual debe ser considerado como un intercambiador fase gas/aire y el otro situado en el exterior, denominado condensador, que no es más que un intercambiador fase liquida/aire.
Dentro de este grupo genérico debemos incluir a todos los equipos en los que el calor es cedido desde un fluido a otro fluido, independientemente de que en ellos se efectúe cambio de estado físico; paso de gas a liquido, en el caso de los condensadores; paso de liquido a gas, como ocurre en los evaporadores.
En este tipo de equipos el cambio de calor pode efectuarse, entre liquido y liquido, entre gas y gas, o bien, entre liquido y gas.
Como información previa a la descripción de estos equipos, conviene comentara lo siguiente:
- En el sistema métrico, el calor es medido en Kilocalorías (Kcal); la Kilocaloría, esta definida como, la cantidad de calor necesaria, para elevar la temperatura de un kilo de agua destilada, de 14° C, a 15°C.
- En el sistema inglés se usa como unidad de medida la BTU, que representa la cantidad de calor que se debe suministrar a una libra de agua, para elevar su temperatura de 50° a 51° F.
Técnicamente no se habla de calor, sino de cantidad de calor cambiado o cedido en la unidad de tiempo, se tendrá así, una potencia expresable en Kcal/h., o en BTU/h., o en W.
La temperatura es una magnitud física diferente del calor, que indica la capacidad que tiene un cuerpo para ceder calor a otro; la temperatura se mide en:
- Grados centígrados o Celsius (°C) en el sistema métrico.
- Grados Fahrenheit (°F) en el sistema inglés.
Debe recordarse que:
- Un grado centígrado equivale a 1,8°F.
- El cero centígrado, como temperatura de referencia, equivale a 32°F.
- La temperatura del agua hirviendo, a 760 mm de Hg, son 100°C, que equivalen a 212°F.
Para calcular la temperatura en grados Kelvin (°K) o absolutos, que corresponda a una de t °C, hay que sumarle, 273,16°C, sean por ejemplo, las siguientes equivalencias:
0°C o 273°K.
100°C o 373º K.
El paso del calor de los cuerpos calientes a los fríos; puede efectuarse de tres modos:
- Por conducción.
- Por convección.
- Por radiación.
En los problemas de intercambio térmico del calor, hay que tomar en consideración la combinación simultánea de dos o más formas de transmisión.
La transmisión del calor por conducción, tiene lugar solamente en los cuerpos sólidos, donde el calor es transmitido o cedido por las vibraciones de las moléculas, sin que estas abandonen o cambien su posición, es decir, sin que se mezclen entre ellas; el cambio de calor por conducción depende de cuatro factores:
- Diferencia de temperatura.
- Conductibilidad térmica del material de las paredes.
- Superficie de intercambio.
- Espesores de las paredes.
Diferencia de temperatura; cuanto mayor es el Δ°t (diferencia de temperatura entre las dos caras de las paredes), tanto mas grande será la cantidad de calor intercambiado; por experiencia se sabe que los materiales conducen el calor de modo diferente; por ejemplo una cuchara de madera conduce el calor más lentamente que una cuchara de metal.
Conductibilidad térmica del material de las paredes; es la mayor o menor facilidad de un material en dejar pasar el calor, a esta propiedad se le llama "CONDUCTIBILIDAD TERMICA", y se indica con "K"; para un determinado material, cuanto más alto sea el valor de su "K", mayor será la posible cantidad de calor intercambiado por conducción; la plata es un buen conductor, por ello tiene un "K" elevado, respecto a la madera, esta es excelente aislante; casi todos los metales tienen alta conductibilidad térmica; los gases transmiten mal el calor, tienen una baja conductibilidad térmica.
Podemos ver en la tabla siguiente, los valores de la conductibilidad térmica de algunos materiales y el orden de la magnitud de estas características físicas.
Superficie de intercambio; para el intercambio de calor por conducción; se puede afirmar que cuanto mayor es la superficie atravesada por el calor, mayor será la cantidad de calor intercambiado.
Espesores de las paredes; el cuarto factor que influye en el cambio por conducción es el espesor "s" de los materiales, que conforman la pared, a través de los cuales debe pasar el calor, por lo tanto, a mayor espesor del material, mayor será la resistencia al paso del calor.
Como consecuencia de estos conceptos, podríamos determinar que los tres primeros factores son proporcionales a la cantidad de calor intercambiado, mientras que el ultimo es inversamente proporcional, por lo tanto, un aumento del espesor, hará disminuir el intercambio por conducción. La Ley general que regula el intercambio de calor por conducción, es la llamada LEY DE FOURIER, la cual se expresa por la siguiente ecuación:
En la que sus valores son:
Q = cantidad de calor que en el tiempo F atraviesa las paredes.
s = espesor de las paredes
A = superficie de intercambio
(t1 - t2) = diferencia de temperatura entre las dos caras
K = conductividad térmica de los materiales que forman la pared.
En el caso de la transmisión de calor por convección, se produce un traslado o movimiento de moléculas, que son portadoras y como consecuencia del movimiento, transportadoras de energía térmica; a través de ese transporte y de su intercambio, se obtiene la cesión o adquisición de calor; de esto se desprende, que la transmisión de calor por convección, no podrá realizarse, mas que mediante fluidos, es decir, líquidos y gases, ya que el intercambio por convección implica el movimiento del fluido, por ello, es fácil suponer que el intercambio de calor, será tanto mayor cuanto mas elevada sea la velocidad del fluido y la rapidez con que se mezcle; los 2 factores que influye en la convección, son:
- La velocidad del fluido.
- La temperatura.
También en la convección, cuanto mayor es la diferencia de temperatura entre el fluido caliente y el fluido frío, tanto mayor será la cantidad de calor intercambiado.
Respecto a la transmisión de calor por radiación, el calor se transmite desde la fuente de calor sin que en ello, intervengan las moléculas, como vehículos térmicos; por ello, mientras que en los cuerpos sólidos la transmisión se realiza por medio de las moléculas y en la convección, por el movimiento de los fluidos, la transmisión de calor por radiación puede producirse también en el vacío absoluto, tal transmisión puede ser comparada con la propagación de las ondas luminosas.
El intercambio de calor por radiación depende de cuatro factores:
- El tipo de superficie absorbente.
- El área de la superficie absorbente.
- La diferencia de temperatura.
- La distancia entre el objeto y la fuente de calor.
El calor intercambiado por radiación depende del tipo de superficie que recibe el calor, el calor como la luz es en parte absorbido y en parte reflejado, en general una superficie brillante y pulida, reflejara, más que absorber las ondas caloríficas; para el calculo se usa un objeto teórico llamado "Cuerpo negro".
A mayor superficie del cuerpo absorbente, mayor será también el calor intercambiado.
En el caso de los intercambiadores de calor, las temperaturas son relativamente bajas y la cantidad de calor transmitida por radiación resulta escasa, por lo que el fenómeno del intercambio térmico queda reducido al estudio de la conducción y la convección.
La distancia entre el objeto y la fuente de calor, en este caso es despreciable.
El departamento mecánico, para determinar el tipo de intercambiador, así como la superficie de intercambio necesaria, deberá tener en cuenta, forma y dirección del movimiento del flujo o corriente de cada uno de los fluidos, basándose en el modo en que se realizan, se pueden considerar cuatro casos:
- Equicorriente.
- Contracorriente.
- Corrientes cruzadas.
- Fluido a temperatura constante.
Equicorriente; los fluidos se mueven en el mismo sentido y las dos temperaturas varían a lo largo del recorrido; en el caso de equicorriente, la temperatura de salida del fluido calentado es menor que la temperatura de salida del fluido que aporta el calor (calentador).
Contracorriente; las corrientes de los fluidos son dirigidas en sentido contrario, las dos temperaturas varían a lo largo del recorrido, esta disposición hace que se requiera una superficie menor de intercambio, es el tipo que se debe usar cuando la variación de temperatura en uno o en los dos fluidos se aproxima a la diferencia entre las temperaturas de entrada de las dos corrientes; es decir cuando la relación:
(Aumento de temperatura)/(Diferencia entre temperaturas de entrada)
Se aproxima a la unidad.
En el caso de contracorriente, la temperatura de salida del fluido calentado puede ser muy próximo a la temperatura de entrada del fluido que aporta el calor; por lo tanto, los intercambiadores a contracorriente son mas eficaces que los que trabajan a equicorriente.
Corrientes cruzadas; las dos corrientes de fluido se encuentran y cruzan, en ángulo recto; el flujo a corriente cruzada es aplicado en los aerorefrigerantes (por aire) o “aircoolers”.
Fluido a temperatura constante; es una variación de la equicorriente, en la que uno de los dos fluidos esta a temperatura constante, mientras el otro varia su temperatura a lo largo del recorrido en paralelo; es el caso de un vapor que se condensa y cede el calor latente a un fluido que se calienta, o el de un liquido que se evapora, absorbiendo calor de un fluido que se refrigera.
