OPERACIN DE PROCESOS UNITARIOS TRANSFERENCIA DE CALOR

TRANSFERENCIA DE CALORTransferencia de calor, en fsica, proceso por el que se intercambia energa en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que estn a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante conveccin, radiacin o conduccin.

El calor puede transferirse de tres formas: por conduccin, por conveccin y por radiacin. La conduccin es la transferencia de calor a travs de un objeto slido: es lo que hace que el asa de un atizador se caliente aunque slo la punta est en el fuego. La conveccin transfiere calor por el intercambio de molculas fras y calientes: es la causa de que el agua de una tetera se caliente uniformemente aunque slo su parte inferior est en contacto con la llama. La radiacin es la transferencia de calor por radiacin electromagntica (generalmente infrarroja): es el principal mecanismo por el que un fuego calienta la habitacin.

CONDUCCIN

En los slidos, la nica forma de transferencia de calor es la conduccin. Si se calienta un extremo de una varilla metlica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo ms fro por conduccin. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conduccin de calor en los slidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energa cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teora explica por qu los buenos conductores elctricos tambin tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el francs Joseph Fourier la hoy conocida ley de Fourier de la conduccin del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conduccin de calor a travs de un cuerpo por unidad de seccin transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).

LEY DE FOURIERSea J la densidad de corriente de energa (energa por unidad de rea y por unidad de tiempo), que se establece en la barra debido a la diferencia de temperaturas entre dos puntos de la misma. La ley de Fourier afirma que hay una proporcionalidad entre el flujo de energa J y el gradiente de temperatura.

Siendo K una constante caracterstica del material denominada conductividad trmica.

CONVECCINSi existe una diferencia de temperatura en el interior de un lquido o un gas, es casi seguro que se producir un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado conveccin. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un lquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el lquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido ms caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido ms fro y ms denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina conveccin natural. La conveccin forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecnica de fluidos.

RADIACINLa radiacin presenta una diferencia fundamental respecto a la conduccin y la conveccin: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vaco. La radiacin es un trmino que se aplica genricamente a toda clase de fenmenos relacionados con ondas electromagnticas. Algunos fenmenos de la radiacin pueden describirse mediante la teora de ondas, pero la nica explicacin general satisfactoria de la radiacin electromagntica es la teora cuntica. En 1905, Albert Einstein sugiri que la radiacin presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoelctrico, la radiacin se comporta como minsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas.

La contribucin de todas las longitudes de onda a la energa radiante emitida se denomina poder emisor del cuerpo, y corresponde a la cantidad de energa emitida por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. Como puede demostrarse a partir de la ley de Planck, el poder emisor de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor de proporcionalidad se denomina constante de Stefan-Boltzmann en honor a dos fsicos austriacos, Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884 respectivamente, descubrieron esta proporcionalidad entre el poder emisor y la temperatura. Segn la ley de Planck, todas las sustancias emiten energa radiante slo por tener una temperatura superior al cero absoluto.

Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energa emitida. Adems de emitir radiacin, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito de hielo emite energa radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lmpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite.

LEY DE PLANCKLa intensidad de la radiacin emitida por un cuerpo negro con una temperatura T viene dada por la ley de Planck:

: es la cantidad de energa por unidad de rea, unidad de tiempo y unidad de ngulo slido emitida en el rango de frecuencias entre V y . h es una constante que se conoce como constante de Planck. c es la velocidad de la luz.k es la constante de Boltzmann.

y

Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiacin incidente. Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben ms calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan ms energa radiante que las superficies mates. Adems, las sustancias que absorben mucha radiacin tambin son buenos emisores; las que reflejan mucha radiacin y absorben poco son malos emisores. Por eso, los utensilios de cocina suelen tener fondos mates para una buena absorcin y paredes pulidas para una emisin mnima, con lo que maximizan la transferencia total de calor al contenido de la cazuela.

Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de radiacin. Se observa experimentalmente que las propiedades de absorcin, reflexin y transmisin de una sustancia dependen de la longitud de onda de la radiacin incidente. El vidrio, por ejemplo, transmite grandes cantidades de radiacin ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los rayos infrarrojos, de alta longitud de onda. Una consecuencia de la distribucin de Planck es que la longitud de onda a la que un cuerpo emite la cantidad mxima de energa radiante disminuye con la temperatura. La ley de desplazamiento de Wien, llamada as en honor al fsico alemn Wilhelm Wien, es una expresin matemtica de esta observacin, y afirma que la longitud de onda que corresponde a la mxima energa, multiplicada por la temperatura absoluta del cuerpo, es igual a una constante, 2.878 micrmetros-Kelvin. Este hecho, junto con las propiedades de transmisin del vidrio antes mencionadas, explica el calentamiento de los invernaderos.

MAQUINAS TRANSPORTADORASBOMBAS DE FLUIDO

Generalidades Si bien los lquidos y gases pueden transportarse en recipientes por cualquier medio convencional, se entiende por t.def. en ingeniera el movimiento continuo y forzado de lquidos o gases a travs de conducciones fijas que forman un circuito de fluidos, el cual consta de elementos funcionales (bombas o compresores, vlvulas, cambiadores de calor, filtros, cmaras de reaccin, etc.), cuyo nmero y especie dependen de la funcin a que se destine el circuito, y que estn conectados entre s mediante conducciones a travs de las que se establece el t.delf. de alimentacin del circuito de unos elementos a otros. Hay gran variedad de circuitos de fluidos en ingeniera, con concepciones, configuraciones y aplicaciones muy diversas. Se denominan abiertos o cerrados segn que el fluido que alimenta sus elementos se renueve constantemente (sistema de trasvase) o sea el mismo fluido el que pase peridicamente por cada elemento.

En cualquier caso, para mantener el movimiento, a pesar de las fuerzas contrarias al mismo, el fluido debe gastar parte de su propia energa, la cual le ha de ser adicionada previamente por algn sistema intercalado en el circuito. En general, dicho sistema, denominado de impulsin o instalacin de bombeo, est compuesto por una o varias mquinas a las que se llama transportadoras del fluido, las cuales entregan energa mecnica al fluido mediante algunas superficies mviles convenientemente dispuestas, de manera que, durante el funcionamiento, la accin del fluido sobre las mismas se concrete en una distribucin de presiones de resultante no nula. El desplazamiento de dicha superficie implica entonces el desplazamiento de la resultante de las fuerzas de presin del fluido, el cual representa un trabajo mecnico. La transformacin ulterior de este trabajo mecnico en otra forma de energa asociada a la masa del fluido (energa cintica, elstica, trmica de disposicin, etc.) depende de las caractersticas de cada mquina transportadora en particular.

Clasificacin.Bajo la denominacin general de mquina transportadora de fluidos, segn se ha definido en el prrafo anterior, se abarcan en uno solo los conceptos de bombas hidrulicas y neumticas, compresores (v.) y mquinas soplantes (stas pueden considerarse un caso particular de los compresores, en que el salto de presiones es muy pequeo). Los principios bsicos de funcionamiento de las bombas y compresores son similares; la diferencia entre unas y otros radica en que las bombas son mquinas transportadoras de lquidos y los compresores lo son de gases.

Bombas Si bien hay gran variedad de bombas, diferentes en cuanto a concepcin, configuracin mecnica, rganos componentes y funcionamiento, subsisten siempre elementos comunes. As, cualquier bomba es una mquina concebida para impulsar un fluido en una direccin determinada y compuesta por elementos fijos, que forman el estator; este conjunto sirve de alojamiento a otro constituido por elementos mviles y denominado conjunto de impulsin. En el estator hay al menos dos aberturas, previstas para la conexin a las mismas de los conductos de entrada y salida del lquido. El conjunto de impulsin es un mecanismo de complejidad variable, segn los tipos de bombas, pero que siempre comprende desde el acoplamiento al eje de arrastre de la planta de potencia hasta las paredes mviles que actan sobre el lquido forzando su movimiento. Se llama conjunto rotatorio o rotor cuando su movimiento respecto al estator, durante el funcionamiento, es una rotacin continua.

Bombas volumtricas Se distinguen los siguientes subgrupos:a) Alternativas de mbolos , que constan de un cilindro provisto de dos vlvulas, en el que se desplaza un mbolo accionado por un mecanismo de biela y manivela. La vlvula de entrada se mantiene abierta mientras que el mbolo realiza la carrera de admisin, estando cerrada la vlvula de salida. Cuando el movimiento del mbolo se invierte, empujando el lquido admitido en la carrera anterior, la vlvula de admisin se cierra, y la de salida permanece abierta, permitiendo la expulsin del lquido hacia la salida. El sistema mbolo-cilindro consigue ajustes muy precisos entre las superficies de ambos, por lo que pueden obtenerse buena estanqueidad y presiones de salida muy altas. Mediante un diseo adecuado se pueden utilizar las dos carreras del mbolo para accionar fluidos; en este caso, la bomba se denomina de mbolo de doble efecto.

b) Rotatorias de paletas, en las que el cuerpo interior (rotor) es excntrico respecto al estator y aloja radialmente paletas que contactan con las paredes internas del estator, cuando el rotor gira. La configuracin es tal que el volumen encerrado en el reducto, formado por las paredes del rotor, estator y paletas, disminuye desde la entrada a la salida, consiguindose as la compresin del lquido. Las fugas de lquido de la salida a la entrada disminuyen haciendo que el juego entre rotor y estator en la zona de contacto de ambos sea muy pequeo. c) De engranajes, en las que el lquido atrapado entre cada par de dientes consecutivos del rotor y la pared del estator es forzado a moverse hacia la salida. Para evitar la presencia de corriente de retroceso (de sentido inverso al que pretende la bomba), el ajuste entre dientes en la parte central y de los dientes con las paredes del estator debe ser continuo y muy preciso.

d) De lbulos rotatorios , que funcionan de manera similar a las de engranajes, con la diferencia de que los cuerpos rotatorios son lbulos, de forma conveniente y capaces de mantener la estanqueidad, en lugar de perfiles de engranajes. e) De pistones axiales, provistas de un tambor giratorio con taladros axiales (como el de un revlver), cada uno de los cuales aloja un pistn, y el movimiento alternativo de stos se consigue obligndoles a seguir el contorno de un plato, cuyo plano est inclinado con respecto al eje del tambor. Cada conjunto taladro-pistn se comporta entonces como una bomba elemental alternativa de mbolo de simple efecto. f) De pistones radiales, similares a las anteriores, pero los taladros del tambor son radiales en lugar de axiales y el movimiento alternativo de los pistones est mandado por la pared interior del estator de la bomba. g) De elementos deformables, en las que las variaciones necesarias del volumen del lquido atrapado se consiguen mediante la deformacin de algunos elementos de la bomba. Bombas dinmicas. Los tipos principales son: las centrfugas y las axiales.ste es un disco, provisto de aletas, que gira a gran velocidad, obligando al fluido a seguir a las paletas en su movimiento. El lquido se centrifuga y el estator tiene una forma conveniente de colector para aprovechar este efecto de centrifugacin elevando el valor de la presin de la corriente de salida.

Intercambio de calor con cambio de fase y sin cambio de fase

Intercambiadores de CalorCualquier aparato diseado para trasmitir la energa calorfica desde un medio (gas o liquido) hacia otro medio es denominado Intercambiador de calor. En el Intercambiador de calor, el calor es transferido desde el medio caliente hacia el medio fro por conduccin y conveccin, y algunas veces por radiacin en el caso de gases Existen dos tipos de procesos sin cambio de fase (transferencia de calor sensible) y con cambio de fase (transferencia de calor latente).

Transferencia de calor sensible (sin cambio de fase).- Si se identifican dos sustancias A y B entre las cuales se debe hacer la transferencia de calor, una de ellas se enfriar al ceder calor y la otra se calentar al absorber calor, para mantener el equilibrio el calor cedido por una debe ser igual al calor absorbido por la otra, de tal manera que si no existen prdidas de calor siempre debe cumplirse la igualdad: (m cp DT)A = (m cp DT)B = Q

Transferencia de calor latente (con cambio de fase).- Cuando el ceder o el absorber calor para las sustancias implica un cambio de fase, se tienen los procesos de ebullicin y de condensacin, en muchos procesos industriales se presentan combinaciones de estos procesos ya que un fluido puede experimentar cambio de fase y el otro no como el caso de la condensacin de los productos del tope de una columna de destilacin en donde estos se condensan al ceder calor y el agua de enfriamiento se calienta al absorber calor, en este caso se cumple la relacin:(ml)A = (mcpDT)B = Q

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR Intercambiadores compactos.- los que estn hechos en base a placas o laminas planas paralelas. Intercambiadores tubulares.- los que estn hechos en base a tubos. Intercambiadores miscelneos.- los que tienen diferentes configuraciones segn el requerimiento especfico.

Ejercicios de Aplicacin 1. En un intercambiador de calor se calienta agua desde TF1= 25C, a TF2 = 50C, mediante la condensacinde un vapor a 110C. Si el flujo de agua permanece constante, pero la temperatura de entrada disminuye a TF1*=15C, Cul ser la nueva temperatura de salida?RESOLUCINPara la temperatura de entrada del agua que se calienta en la 1 operacin se tiene que TF2 es:* = 42,94CPara la nueva temperatura de entrada del agua que se calienta en la 2 operacin se tiene que TF2 es:

De otra forma:

2. Una bomba centrfuga tiene el siguiente punto de funcionamiento: q = 50 litros/seg ; Hm = 100 m ; n = 1500rpm ; m = 0,67 ; N = 100 CVSe quiere bajar a una galera de una mina en donde va a funcionar a un mayor nmero de revoluciones.El coeficiente de seguridad de la bomba por el aumento de presin se supone es 2,5 y el coeficiente de seguridaddel par en el eje igual a 2.Determinar:a) La altura manomtrica que proporcionar la bombab) La potencia que consume; c) El caudal que impulsarRESOLUCINRelaciones de semejanza para la misma bomba en superficie y fondo de la mina:

Hay que hallar la relacin de velocidades y elegir la ms conveniente:

La situacin que impone una mayor seguridad es: C= 2 C, por cuanto el n de rpm es menor.