¿Fenómenos de Transporte, Transferencia de calor, Intercambiadores de calor... y como se come eso?

Los fenómenos de transporte es una ciencia ingenieril que explica muchas de las leyes naturales que rigen nuestro universo, esta ciencia busca estudiar la evolución de un sistema irreversible que requiere llegar a un equilibrio de energía. Fundamentalmente existen tres ramas de esta; la transferencia de momento o movimiento, calor o masa las cuales para fines prácticos rigen el diseño y el funcionamiento de equipos como bombas centrífugas y de desplazamiento positivo, intercambiadores de calor, compresores, reactores químicos y nucleares, humidificadores, enfriadores de aire, secadores, fraccionadores y adsorbedores.

Uno de los procesos utilizados en la industria de manufactura actual es el de transferencia de calor, el cual busca por medio de la adición o sustracción de energía (a través de procesos de combustión, calentamiento con resistencias, refrigeración o reacciones químicas diversas) controlar la temperatura de un sistema, pero y esto ¿cómo sucede? empecemos por lo mas básico.

¿Qué es la transferencia de calor?

El Transporte de calor es de los tres antes mencionados el mas familiar sin duda alguna, este forma parte de nuestra vida cotidiana, por ejemplo: cuando se nos enfría la sopa o el café, cuando se calienta agua en una olla, entre otros. De una u otra forma esta es la ciencia que estudia las transiciones cuantitativas y reacomodos de la energía en un cuerpo, a diferencia de la termodinámica esta estudia la rapidez de la transferencia de calor y no tanto la cantidad, lo cual es mucho mas interesante en numerosos campos de un ingeniero.

Ejemplo: Al dejar un vaso de agua fría en un cuarto (a una temperatura ambiente estándar en Venezuela) sabemos que al cabo de un rato este se entibiará, esto se debe a que la energía en forma de calor se produce del medio que tiene mayor temperatura a uno que tiene menor temperatura. De esta premisa entonces resumimos que el calor no es mas que la energía que se transfiere de una temperatura mayor a una menor y por el cual ocurre un cambio de temperatura.

Fuente: https://www.addlink.es/productos/comsol-heat-transfer-module?tmpl=component&format=pdf

Para comprender un poco mas la transferencia de calor debemos saber que existen tres formas o mecanismos para que esta ocurra: conducción, convección y radiación.

Mecanismos de transferencia de calor

Todos los mecanismos de transferencia de calor requieren que exista una diferencia de temperatura y ocurrirán desde una temperatura mayor a una menor, cabe destacar que en la mayoría de los casos prácticos los mecanismos de calor ocurren de forma simultanea pero para efectos de cálculo y aproximaciones se estudian siempre de manera separada.

Fuente: http://www.correodelmaestro.com/publico/html5022014/capitulo1/capitulo_01.html

Conducción

Esta es la transferencia de calor que ocurre como resultado de las interacciones entre partículas, puede ocurrir en sólidos, líquidos y gases. En los líquidos y gases la conducción ocurre debido a las colisiones y a la difusión de las moléculas durante el movimiento aleatorio. mientras que en los sólidos ocurre debido a una combinación entre los movimientos de una retícula y al transporte de energía por medio de los electrones libres.

Ejemplo: Cuando se calienta una sartén y es utilizada para cocinar un alimento lo que ocurre es que se transfiere energía desde la sartén a los alimentos por medio de conducción.

Fuente: http://tienda.canalcocina.es/sartenes-woks-y-paelleras/638-sarten-3ply

Convección

Es el modo de transferencia de energía que ocurre entre una superficie sólida y un líquido o un gas adyacente que está en movimiento y comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento de fluidos, cabe destacar que de no existir movimiento de fluido sólo fuera un mecanismo de conducción puro, además mientras mayor sea el movimiento del fluidos se sabe que será mayor la razón de transferencia de calor.

Ejemplo: El enfriamiento de la sopa recién salida de la cocina muchas veces es hecho por el ambiente, como cuándo nuestras madres nos dicen "se te enfriará la comida si no vienes a comer", esto ocurre debido a que la energía contenida dentro de la sopa primero se transfiere a la capa de aire adyacente a esta, por conducción. Luego por efectos combinados de conducción y convección dentro del aire la energía se va lejos de la superficie, esto por los movimientos de las moléculas de aire y el movimiento macroscópico del aire que remueve el aire caliente de la superficie.

Fuente: http://elektro-sol.eu/servicio/calefaccion-por-conveccion/

Convección Natural y Forzada

Existen técnicamente dos clasificaciones de convección, la natural en donde el movimiento del fluido es causado por la diferencia de densidad den el fluido, ya que esta cambia cuando ocurre un cambio de temperatura y la forzada, en donde en donde el fluido es impulsado por un medio externo, como una bomba o un ventilador.

Radiación

Es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas (o fotones) como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas, la diferencia básica con los otros dos mecanismos es que esta no necesita un medio interventor para realizar la transferencia, es mas se puede realizar en el vacío, así es como la energía del Sol llega a la Tierra. Cabe destacar que existen muchos tipos de radiaciones térmicas pero la que nos atañe en este tema es la radiación térmica ya que esta es emitida debido a la temperatura de un cuerpo.

Fuente: https://sites.google.com/site/pnoliuhyt/tercer-parcial

Partiendo de estos conceptos básicos podemos inferir que la transferencia de calor juega un papel clave en los procesos productivos diversos que realizamos como seres humanos para mantener el estándar de vida actual, y esto es básicamente por la influencia de las superficies extendidas (usados para disipar el calor en los procesadores de computadores, recubrimiento del cableado, entre otros), aislantes (usado en mangos de ollas, recubrimiento de tuberías y casas, etcétera) y sobretodo por los intercambiadores de calor que son utilizados para controlar la temperatura de un fluido en la industria.

Intercambiadores de calor

Son equipos que facilitan el intercambio de energía en forma de calor entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que se mezclen entre sí. Para efectos prácticos son usados en un sin números de aplicaciones desde calefacción y acondicionamiento domésticos hasta en procesos químicos. Se diferencia de una cámara de mezclado en que evita que los fluidos se combinen. Cabe destacar que en este ocurren dos mecanismos de transferencia de calor, la convección en cada fluido y la conducción a través de las paredes que los separa, es común encontrar estos equipos aislados termicamente del ambiente a fin de evitar la transferencia de calor por radiación y convección, es decir no sufrir pérdidas.

Fuente: http://www.aficionadosalamecanica.com/refrigeracion-motor.htm

Tipos de intercambiadores de calor

Existen diferentes tipos de clasificaciones de intercambiadores de calor pero las mas importante son: según el contacto de los fluidos involucrados, según la configuración utilizada o según el servicio que ofrecen en el proceso productivo.

Según el contacto de los fluidos

-Contacto Directo

En estos ocurre la mezcla de los fluidos involucrados en el proceso para así de esta forma regular la temperatura, se asemeja a abrir el agua caliente y mezclarla con agua fría cuando nos bañamos, aunque en estos se estudia la transferencia de masa que ocurre entre ambos fluidos para efectos de aproximaciones adecuadas, como ejemplo tenemos las torres de enfriamiento, utilizadas comúnmente para enfriar agua caliente proveniente de un sistema de enfriamiento a fin de ser recirculada.

Fuente: https://www.mundohvacr.com.mx/mundo/2009/03/torres-de-enfriamiento/

-Contacto Indirecto

Estos son diseñados para que no ocurra ningún tipo de contacto entre los fluidos, esto a fin de que se puedan utilizar fluidos refrigerante o calentadores especiales sin la perdida de estos, recuperación de calor entre materia prima y producto (como es el caso de las torres de destilación de una refinería de petroleo o procesos químicos con reacciones exotérmicas), asegurar la calidad y rentabilidad del producto en cuestión. Pueden ser de flujo alternativo, en donde los fluidos corren en el mismo espacio de forma alternada o de superficie, en donde la transferencia de calor ocurre a través de una superficie independientemente de su forma y sin permitir el espacio directo. De este existen múltiples ejemplos que se tratan mas adelante.

Según la configuración de los equipos

-Intercambiador de doble tubo

Es el mas simple de los intercambiadores de calor, en este uno de los fluidos pasa por el tubo mas pequeño, en tanto que el otro lo hace por el espacio anular entre los dos tubos, la disposición de tubos puede ser en paralelo o contracorriente, según si la dirección de los fluidos es la misma u opuesta.

Fuente: http://termetsa.net/blog/tag/intercambiadores-de-calor-para-la-industria-vitivinicola-intercambiador-de-vino-intercambiador-de-vendimia-intercambiador-de-mostos-concentrado-intercambiadores-a-placas/

-Intercambiador de placas

Este tipo de intercambiador es mas innovador, este consta de una serie de placas con pasos corrugados y aplastados para el flujo. los fluidos caliente y frío fluyen en pasos alternados, de este modo cada corriente de fluido frío queda rodeada por dos corrientes de fluido caliente, lo cual resulta en una transferencia de calor eficaz.

Fuente: https://i.ytimg.com/vi/Rw_j55PDnO8/maxresdefault

-Intercambiador de tubo y coraza

Es el tipo de intercambiador mas común para aplicaciones industriales. Estos contienen un gran numero de tubos empacados en una carcaza con sus ejes paralelos al de este. La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de estos, pasando la coraza. Es importante resaltar que gracias a unos desviadores en la coraza se fuerza al fluido que transcurre por esta a moverse en dirección transversal al fluido contenido en los tubos con el fin de mejorar la transferencia de calor.

Fuente: http://www.nauticexpo.es/prod/alfa-laval-mid-europe/product-30729-416225.html

Según el Servicio

-Refigerador

Este utiliza un refrigerante para enfriar un fluido hasta una temperatura menor que la obtenida si se utilizara agua. Las sustancias refrigerantes mas comunes en la industria son amoniaco, bióxido de sulfuro, propano, etano y cloruro metálico, sin embargo debido a las propiedades tóxicas que estas tienen y para trabajos de temperaturas realmente bajas se usan refrigerantes R-134a, R-22, R-404A, R-507 y R-410A.

-Condensador

Unidades de tubo y coraza con una proporción física especial que se utilizan para la condensación de vapores de desecho, es decir que estos son de contacto directo. Son utilizados comunmente en las centrales térmicas como el sumidero de calor en el ciclo termodinámico, es decir condensa el vapor proveniente de la turbina de vapor, además se usan en las purgas de calentadores a fin de suministrar fluido al suministro de condensado.

-Enfriador

Equipo en el cual una corriente del proceso intercambia calor con agua o aire sin cambio de fase (que el fluido no solidifique o evapore) con el fin de disipar calor de una corriente. Utilizados comunmente para refrigeración industrial, plantas de procesos químicos, centros de computo, enfriamiento del agua de grandes instalaciones (torres de enfriamiento) y para producir agua fría para duchas y agua caliente en piscinas.

-Recuperador de Calor

Estos son utilizados para recuperar el calor que contiene una corriente de salida y suministrarse a una corriente de entrada, con el fin de reducir costos en la producción de energía, como en el caso mencionado con anterioridad en donde la corriente de crudo que entra a la torre de destilación es comunicada con la de productos por medio de intercambiadores de calor a fin de recuperar el calor cedido por los hornos anteriores a la torre, así el consumo de combustible que habrá en los hornos para alcanzar la temperatura óptima en la torre de destilación, traduciendo esto en un ahorro energético.

Fuente: http://iqriosity.blogspot.com/2014/11/refino-de-petroleo-para-dummies.html

-Calentador

Estos son los encargados de aumentar la temperatura en una corriente sin necesidad que ocurra un cambio de fase. Generalmente se usan para mantener la temperatura dentro de un tanque sin necesidad de hacer un movimiento del fluido a un equipo de intercambio térmico.

-Rehervidor

Es un vaporizador que provee calor latente de vaporización (el calor que un fluido genera cuando esta en el estado de saturación, en el proceso de cambio de líquido a vapor) . Se usa para generar vapores de un fluido de proceso en la base de una torre de destilación, de manera tal de generar un perfil de temperatura adecuado en la torre y generar una separación adecuada de las fracciones de un fluido.

-Generadores de vapor

Son los encargados de producir vapor de calentamiento en una industria, es el medio mas económico de calentar un fluido debido a la eficiencia que tiene, en este se calienta agua hasta su cambio de fase por medio de los gases de combustión generados por la quema de gas o gas oil.

Fuente: http://www.directindustry.es/prod/attsu-termica-sl/product-37754-562700.html

-Sobrecalentador

Caliente el vapor por encima de la temperatura de saturación, estos son especialmente utilizados en la industria termoeléctrica. Son vitales para sobre calentar el vapor proveniente de una caldera.

-Vaporizador

Convierte el líquidos a vapor, es importante destacar que este nombre es recibido cuando el líquido a calentar es distinto al agua.

Esta publicación se apoyó de los siguientes autores y links:

KERN, D. (1999) Procesos de Transferencia de Calor. México, Editorial CECSA.
CENGEL, Y. y GHAJAR, A. (2001) Transferencia de calor y masa fundamentos y aplicaciones. España, Editorial Mc Graw Hill.
http://www.academia.edu/7767151/GUIA_DE_INTERCAMBIADORES_DE_CALOR_TIPOS_GENERALES_Y_APLICACIONES