Transferencia de Calor Intercambiadores de CalorRiesgos en Procesos Productivos ITcnico Universitario en Prevencin de Riesgos

Principios de ConservacinSi un sistema no interacciona con su entorno de ninguna manera, entonces determinadas propiedades mecnicas del sistema no pueden cambiar. Algunas veces nos referimos a ellas como "constantes del movimiento.Estas cantidades se dice que son "conservadas" y las leyes de conservacin resultante se pueden considerar como los principios mas fundamentales de la mecnica.En mecnica, ejemplos de cantidades conservativas son la energa, el momento y el momento angular.

Transferencia de CalorEl calor se define como la energa cintica total de todos los tomos o molculas de una sustancia.La temperatura es una medida de la energa cintica promedio de los tomos y molculas individuales de una sustancia.Cuando se agrega calor a una sustancia, sus tomos o molculas se mueven ms rpido y su temperatura se eleva, o viceversa.

Transferencia de CalorTransmisin de energa de una regin a otras, como producto de la diferencia de T entre ellas. El flujo de calor se rige por una combinacin de varias leyes fsicas independientes.T caliente T1 T fra T2 Q

Transferencia de CalorCuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto slido o un fluido, est a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de energa trmica, tambin conocida como transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio trmico.

ClasificacionesConduccin (Difusin)ConveccinRadiacin

En la mayora de los procesos reales, todos se encuentran presentes en mayor o menor grado.Sin embargo, la conduccin pura se presenta slo en materiales slidos.

ConduccinLa conduccin es el mecanismo de transferencia de calor en escala atmica a travs de la materia por actividad molecular, por el choque de unas molculas con otras, donde las partculas ms energticas le entregan energa a las menos energticas, producindose un flujo de calor desde las temperaturas ms altas a las ms bajas.

Mecanismos de ConduccinPor este mecanismo el calor puede ser conducido a travs de slidos, lquidos y gasesLa conduccin se verifica mediante la transferencia de energa cintica entre molculas adyacentes.En la conduccin la energa tambin se transfiere por medio de electrones libres, un proceso muy importante en el calentamiento de slidos.

Aplicaciones IndustrialesTransferencia a travs de:Paredes e Intercambiadores de calor.Grageado.Granulado.Forjado de Acero.Congelados en Industrias de Alimentos.Acondicionamiento de Aire.

Ley de FourierPermite cuantificar la rapidez del flujo de calor por conduccin, y establece que:qk = - k A (dt/dx)

k: Conductividad trmica del material (Btu/h*pie*F , Kcal/h*m*C)A: rea transversal al flujo (pie2); (m2)dt/dx : Gradiente de temperatura (C/m) ; (F/pie)

T1T2ALq

Conductividad trmicaLa conductividad trmica depende de la naturaleza del material en el cual se est manifestando el proceso de transferencia de calor.Los gases son malos conductores (generalmente), los lquidos son ligeramente mejores.Los metales son muy buenos conductores trmicos (plata, cobre), por eso su constante de conductividad trmica es muy alta.k slidos > k lquidos > k gases

Conductividad Trmica de metales Metal Conductividad trmica K (W/mK)Aluminio 209.3Acero 45Cobre 389.6Plata 418.7Plomo 34.6

Materiales AislantesUn aislante trmico es un material caracterizado por su alta resistencia trmica. Establece una barrera al paso del calor entre dos medios que naturalmente tenderan a igualarse en temperatura.El mejor aislante trmico es el vaco, pero debido a la gran dificultad para obtener y mantener condiciones de vaco, ste se emplea en muy pocas ocasiones. En la prctica se utiliza aire.

Conductividad Trmicade materiales aislantesMaterial Conductividad trmica K (W/mK)Asbesto 0,151 (0 C) 0,168 (37,8C) 0,190 (93,3C)Corcho 0,043 Algodn 0,055 (0 C) 0,061 (37,8C) 0,068 (93,3C)Lana de Vidrio 0,030 (-6,7C) 0,041 (37,8C) 0,055 (93,3C)Pino 0,151Fibra aislante 0,048Concreto 0,762

Mecanismos de ConveccinEsta forma se presenta en los fluidos (gases y lquidos) debido a su gran movilidad de molculas. Se debe al cambio de densidad, al aumentar su temperatura (El Fluido que recibe calor disminuye su densidad, siendo reemplazado por fluidos superiores de mayor densidad).La eficiencia de transferencia de calor por conveccin depende bsicamente de la eficiencia del movimiento del mezclado del fluido.

Mecanismos de ConveccinEl calor fluye primero por conduccin desde la superficie hacia las partculas del fluido. La energa transferida servir para incrementar la temperatura y la energa interna del fluido. El mecanismo de transferencia en el fluido ocurre desde una regin de alta temperatura hacia una zona de baja temperatura. La energa se almacena en la partculas del fluido y se transporta como resultado del movimiento de masa.

Mecanismos de ConveccinCuando un fluido cede calor sus molculas se desaceleran por lo cual su temperatura disminuye y su densidad aumenta siendo atrada sus molculas por la gravedad de la tierra.Cuando el fluido absorbe calor sus molculas se aceleran por lo cual su temperatura aumenta y su densidad disminuye hacindolo ms liviano.El fluido ms fro tiende a bajar y ocupa el nivel ms bajo de la vertical y los fluidos ms calientes son desplazados al nivel ms alto, crendose as los vientos de la tierra.

La conveccin siempre est acompaada de la conduccin, debido al contacto directo entre partculas de distinta temperatura en un lquido o gas en movimiento.

Tipos de ConveccinSe clasifican de acuerdo a cmo se induce el flujo: CONVECCION FORZADA.Ocurre cuando se alimenta un flujo de fluido sobre una superficie slida, por medio de una bomba o un ventilador. Cuando el movimiento de mezclado es inducido por algn agente externo. CONVECCION LIBRE O NATURAL.

RadiacinLa radiacin trmica es energa emitida por la materia que se encuentra a una temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas las direcciones.Esta energa es producida por los cambios en las configuraciones electrnicas de los tomos o molculas constitutivos y transportada por ondas electromagnticas o fotones, por lo recibe el nombre de radiacin electromagntica.

Mecanismos de RadiacinEn esta transmisin de calor en la que o se necesita soporte (medio) para llevarse a cabo, es decir, puede suceder en el vaco.Los cuerpos al absorber la energa radiante que es propagada por el cuerpo emisor de sta, aumentan su temperatura.Cabe resaltar que aunque sea un mismo cuerpo emisor de la energa "radiante", hay cuerpos que son buenos absorbentes y hay los que no.

Mecanismos de RadiacinA diferencia de la conduccin y la conveccin, o de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiacin electromagntica es independiente de la materia para su propagacin, de hecho, la transferencia de energa por radiacin es ms efectiva en el vaco.

As, estas ondas pueden atravesar el espacio y llegar a la Tierra desde el Sol.

Mecanismos de RadiacinImplica doble transformacin de la energa para llegar al cuerpo al que se va a propagar: primero de energa trmica a radiante y luego viceversaEl hecho de que nos llegue energa del sol, es por la transmisin de calor por radiacin.Tambin sucede cuando ponemos las manos prximas al fuego en forma horizontal (por conveccin la transferencia de calor es mnima porque el aire es mal conductor, su conductividad trmica es 0.025, y la transmisin por conveccin se lleva a cabo en forma vertical).

Intercambiadores de Calor

Un intercambiador de calor es un dispositivo construido para intercambiar eficientemente el calor de un fluido a otro, tanto si los fluidos estn separados por una pared slida para prevenir su mezcla, como si estn en contacto directo.

Los intercambiadores de calor son muy usados en refrigeracin, acondicionamiento de aire, calefaccin, produccin de energa, y procesamiento qumico.Un ejemplo bsico de un cambiador de calor es el radiador de un automvil, en el que el lquido de radiador caliente es enfriado por el flujo de aire sobre la superficie del radiador.

Las disposiciones ms comunes de cambiadores de calor son flujo paralelo, contracorriente y flujo cruzado.En el flujo paralelo, ambos fluidos se mueven en la misma direccin durante la transmisin de calor; en contracorriente, los fluidos se mueven en sentido contrario y en flujo cruzado los fluidos se mueven formando un ngulo recto entre ellos.

Los tipos ms comunes de cambiadores de calor son de carcasa y tubos, de doble tubo, tubo extruido con aletas, tubo de aleta espiral, tubo en U, y de placas.

Dada la multitud de aplicaciones de estos dispositivos, se puede realizar una clasificacin dependiendo de su construccin. Para la eleccin del mismo se consideran aspectos como tipo de fluido, densidad, viscosidad, contenido en slidos, lmite de temperaturas, conductividad trmica, etc.

La satisfaccin de muchas demandas industriales requiere el uso de un gran nmero de horquillas de doble tubo. Estas consumen considerable rea superficial as como presentan un nmero considerable de puntos en los cuales puede haber fugas. Cuando se requieren superficies grandes de transferencia de calor, pueden ser mejor obtenidas por medio de equipo de tubo y carcasa (coraza).

Intercambiadores de doble tuboLas partes principales son dos juegos de tubos concntricos, dos tubos en T conectores, un cabezal de retorno y un codo en U.El fluido entra al tubo interior a travs de una conexin roscada localizada en la parte externa del intercambiador.

Intercambiadores de Tubos en UFormados por un haz de tubos corrugados o no, realizado en diversos materiales. El haz de tubos se ubica dentro de una carcasa para permitir el intercambio con el fluido a calentar o enfriar.

Intercambiadores de PlacasFormados por un conjunto de placas de metal corrugadas (acero inoxidable, titanio, etc.) contenidas en un bastidor. El sellado de las placas se realiza mediante juntas o bien pueden estar soldadas.

Intercambiadores de calor

Aplicaciones IndustrialesIndustria alimentaria: enfriamiento, termizacin y pasteurizacin de leche, zumos, bebidas carbonatadas, salsas, vinagres, vino, jarabe de azcar, aceite, etc. Industria qumica y petroqumica: produccin de combustibles, etanol, biodisel, disolventes, pinturas, pasta de papel, aceites industriales, plantas de cogeneracin, etc. Industria del Aire acondicionado: cualquier proceso que implique enfriamiento o calentamiento de los gases. Calefaccin y Energa Solar: produccin de agua caliente sanitaria, calentamiento de piscinas, produccin de agua caliente mediante paneles solares, etc. Industria marina: enfriamiento de motores y lubricantes mediante el empleo del agua del mar.

Peligros y Riesgos AsociadosAgentes: Vapor.Factores: Temperatura, Presin.Condiciones: Corrosin, aislacin, mantenimiento.Riesgos: Explosiones, fugas, quemaduras.

Accidentes