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- Escrito por: Germán Fernández
- Categoría: Operaciones unitarias de transmisión de calor
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Existen tres formas de transmisión de calor: conducción, convección y radiación. Tienen en común que el flujo neto de calor va en sentido de las temperaturas decrecientes.
Conducción
Si en un medio material contínuo y no vacío existe un gradiente de temperatura, el calor fluye en el sentido de la temperatura decreciente sin que exista simultáneamente ningún desplazamiento de materia a nivel macroscópico. Esta densidad de flujo de calor es proporcional al gradiente de temperatura y a la conductividad térmica del material según la ley de Fourier.
\begin{equation} q=-k\frac{dT}{dx} \end{equation}
Convección
Un volumen de fluido que circula por un punto dado, por el hecho de estar a una termperatura dada, lleva consigo una cierta entalpía. A este flujo de entalpía asociado al movimiento de un fluido se le denomina flujo convectivo de calor. (Transmisión de calor por el agua de las tuberías de los radiadores).
La densidad de flujo de calor transmitido por convección viene dado por $q=h(T_0-T_{\infty})$; siendo h el coeficiente de transmisión de calor por convección; $T_0$ la temperatura de la superficie; $T_{\infty}$ la temperatura en el seno de fluido.
Radiación
Es la transmisión de energía mediante ondas electromagnéticas y no precisa de un medio material; de hecho, el flujo de calor entre dos superficies que intercambian calor por radiación es máximo cuan hay vacío entre ambas. Tiene importancia desde el punto de vista de la transmisión de calor a elevadas temperaturas.
Cuando dos cuerpos a distinta temperatura intercambian energía por radiación, el flujo de calor viene dado por $Q=\sigma A (T_{1}^{4}-T_{2}^{4})$, donde A es el área de intercambio y $\sigma$ la conste de Stefan-Boltzmann.
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Los equipos donde se intercambia energía entre fluidos fríos y calientes se llaman intercambiadores de calor. Los mecanismos de transmisión de calor que intervienen en un intercambidor son los de convección y conducción, teniendo menor relevancia el mecanismo de radiación, que toma peso en situaciones de elevadas temperaturas menos frecuentes en la industria.
Los intercambiadores de calor son aparatos cuyo objetivo es llevar una corriente de fluido a una temperatura determinada calentándola o refrigerándola mediante otra corriente de fluido calefactor o refrigerante. Los fluidos circulan separados por una superficie a través de la cual intercambian calor. Hay dos tipos:
Intercambiadores de calor de doble tubo
Están constituidos por dos tubos concéntricos. Un fluido circula por el interior del tubo interior y otro fluido por el espacio anular. Intercambia calor a través de la pared que spara los dos fluidos. Se usan para intercambiar pequeñas cantidades de calor.
Intercambiadores de calor de carcasa y tubos
Estan compuestos de una carcasa cilíndrica en cuyo interior se dispone un haz de tubos de pequeño diámetro paralelamente al eje de la carcasa. Un fluido se hace circular por el interior de la carcasa bañando los tubos por su pared exterior. Es un tipo de dispositivo frecuentísimo en el industria.
Intermbiadores de calor de flujo cruzado
Son muy utilizados cuando uno de los fluídos involucrados es un gas, tipico ejemplo de la calefacción de aire con vapor de agua. El líquido circula por el interior de los tubos, mientras el gas circula perpendicular a ellos por convección forzada o natural.
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Son intercambiadores de calor cuyo objetivo es concentrar una disolución obteníéndose vapor del disolvente. Es una operación empleada en diversas industrias, bien sea para aprovechar la disolúción concentrada (leche concentrada) o para aprovechar el vapor del disolvente (obtención de agua desalinizada a parir e agua de mar). Normalmente se disponen varios evaporadores combinados en los que se emplea el vapor generado en un evaporador como medio de calefacción del siguiente. Se denominan evaporadores de multiple efecto.
Evaporadores de multiple efecto
Un multiefecto consta de un conjunto de evaporadores. El primer efecto es el primer evaporador y así sucesivamente. El primer efecto es el que recibe el vapor vivo procedente de un generador de vapor.
Durante el funcionamiento, el vapor procedente de la evaporación del primer efecto se utiliza como vapor calefactor en el segundo efecto y el producido en este como vapor calefactor del tercero y así sucesivamente. Es evidente que para su funcionamiento es necesario que el vapor calefactor en cada efecto condense a una temperatura superior a la de ebullición en este efecto, lo que exige que haya entre los diferentes efectos una diferencia de presión suficiente para que se produzca la ebullición. (Ejemplo: obtención de zumo concentrados)
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Son intercambiadores de calor que tiene por objetivo la condensación de un vapor mediante un líquido frío. Se pueden utilizar los intercambiadores de calor descritos anteriormente o bien una pulverización con agua fría cayendo en forma de ducha sobre los tubos.
