|
|
|
10. Refrigeración
En el sentido técnico, refrigeración significa mantener un sistema a
temperatura menor que la d sus alrededores. Esto no puede suceder de forma
natural, de modo que debe emplearse un dispositivo que permita lograr lo
anterior.
Existen varios sistemas de refrigeración que se utilizan en la
práctica para llevar a cabo tal función; como el sistema de licuación y
licuefacción a baja temperatura de Linde y hampson.
Refrigeración es el
proceso por el que se reduce la temperatura de un espacio determinado y se
mantiene esta temperatura baja con el fin, por ejemplo, de enfriar alimentos,
conservar determinadas sustancias o conseguir un ambiente agradable. El
almacenamiento refrigerado de alimentos perecederos, pieles, productos
farmacéuticos y otros se conoce como almacenamiento en frío. La refrigeración
evita el crecimiento de bacterias e impide algunas reacciones químicas no
deseadas que pueden tener lugar temperatura ambiente.
El uso de hielo de
origen natural o artificial como refrigerante estaba muy extendido hasta poco
antes de la I Guerra Mundial, cuando aparecieron los refrigeradores
mecánicos y eléctricos. La eficacia del hielo como refrigerante es debida a que
tiene una temperatura de fusión de 0 °C y para fundirse tiene que absorber
una cantidad de calor equivalente a 333,1 kJ/kg. La presencia de una sal en
el hielo reduce en varios grados el punto de fusión del mismo. Los alimentos que
se mantienen a esta temperatura o ligeramente por encima de ella pueden
conservarse durante más tiempo.
El dióxido de carbono sólido, conocido como
hielo seco o nieve carbónica, también se usa como refrigerante. A la presión
atmosférica normal no tiene fase líquida, y sublima directamente de la fase
sólida a la gaseosa a una temperatura de -78,5 °C. La nieve carbónica es
eficaz para conservar productos a bajas temperaturas mientras dura su
sublimación.
En la refrigeración mecánica se obtiene un enfriamiento
constante mediante la circulación de un refrigerante en un circuito cerrado,
donde se evapora y se vuelve a condensar en un ciclo continuo. Si no existen
pérdidas, el refrigerante sirve para toda la vida útil del sistema. Todo lo que
se necesita para mantener el enfriamiento es un suministro continuo de energía y
un método para disipar el calor. Los dos tipos principales de sistemas mecánicos
de refrigeración son el sistema de compresión, empleado en los refrigeradores
domésticos grandes y en la mayoría de los aparatos de aire acondicionado, y el
sistema de absorción, que en la actualidad se usa sobre todo en los
acondicionadores de aire por calor, aunque en el pasado también se empleaba en
refrigeradores domésticos por calor.
Sistemas de refrigeración
Se puede efectuar la refrigeración por
comprensión y por absorción.
El sistema de refrigeración que más se emplea es
el de comprensión. En las máquinas de este tipo constituye la parte central del
sistema la bomba o compresor, que recibe vapor a baja presión y lo comprime. Con
esta operación se elevan considerablemente la presión y la temperatura del
vapor. Luego, este vapor comprimido y calentado fluye por el tubo de salida
hasyte el condensador o permutador térmico, donde el vapor cede su calor al agua
o aire frío que rodea al condensador. En esta forma su temperatura desciende
hasta el punto de condensación, y se convierte en líquido con la correspondiente
liberación de calor que ocurre en estos casos.
El agente frigorífico, en
estado líquido, pasa del condensador hasta un receptáculo y de allí fluye por un
conducto o válvula, o el tubo reductor, disminuye la presión del líquido a
medida que fluye dentro del vaporizador para enfriarlo. Este vaporizador se haya
en el espacio que desea refrigerar. El aire tibio de este recinto le transmite,
por contacto, al vaporizador parte de su calor, y hace que el líquido se
evapore. Como se ve este nuevo cambio de estado, de líquido a vapor, se efectúa
aumentando la temperatura. A continuación, aspira el compresor, por el tubo de
succión, el vapor caliente del evaporador, y, después de volverlo a comprimir,
lo impulsa al condensador, como se explicó anteriormente. Se repite así el
proceso en ciclos continuos. En las grandes instalaciones refrigeradoras se
utiliza generalmente amoníaco como agente frigorífico, mientras que en los
refrigeradores domésticos se emplea anhídrido sulfuroso, cloruro de metilo y
freón. Desde que se comenzó a refrigerar mediante sistemas mecánicos se ha
aumentado constantemente el número de agentes frigoríficos, lo cual se debe a
las investigaciones efectuadas por los químicos en su afán de hallar nuevas
sustancias con características apropiadas para responder a las necesidades
planteadas por los nuevos usos y tipos de instalaciones. Los refrigerantes
sintéticos conocidos con el nombre de freones, constituyen un buen ejemplo del
resultado alcanzado gracias a las investigaciones científicas.
En el sistema
de absorción se consigue el enfriamiento mediante la energía térmica de una
llama de gas, de resistencias eléctricas, o de la condensación del vapor de agua
a baja presión. La instalación tiene una serie de tubos de diversos diámetros,
dispuestos en circuito cerrado, los cuales están llenos de amoniaco y agua. El
amoniaco gaseoso que hay en la instalación se disuelve fácilmente en el agua,
formando una fuerte solución de amoniaco. Al calentarse ésta en la llama de gas,
o por otro medio, se consigue que el amoniaco se desprenda en forma de gas
caliente, lo cual aumenta la presión cuando este gas se enfría en el
condensador, bajo la acción de agua o aire frío, se produce la condensación y se
convierte en amoniaco líquido. Fluye así por una válvula dentro de evaporador,
donde enfría el aire circundante absorbiendo el calor de éste, lo cual produce
nuevamente su evaporación. A continuación, entra el amoniaco, en estado gaseoso,
en contacto con el agua, en la cual se disuelve. Esta fuerte solución de
amoníaco retorna, impulsada por la bomba, al gasificador o hervidor, donde la
llama de gas se calienta. Entonces vuelve a repetirse el ciclo.
Tanto el
sistema de enfriamiento por absorción como el de compresión, están basados en
los cambios de estado del agente frigorífico. Ambos sistemas tienen condensador,
vaporizador y el medio adecuado para crear la presión necesaria que motive la
condensación, tal como un compresor o una fuente que produzca calor.
Ciclo Inverso De Carnot (Ciclo Frigorífico)
Éste utiliza un sistema del
tipo de compresión mecánica de un vapor. El índice de eficacia de un sistema de
refrigeración no es una eficiencia, sino la relación conocida como coeficiente
de funcionamiento(COP), que se define como el calor suministrado dividido entre
el trabajo neto realizado:
COP= Qent./Wnet.
Como el ciclo de Carnot es el
mejor u óptimo posible, el COP (o CF) correspondiente a tal ciclo suele
utilizarse como base de comparación de los valores de COP obtenidos en otros
ciclos.
Refrigerantes
Para cada refrigerante existe una temperatura específica de
vaporización asociada con cada presión, por lo que basta controlar la presión
del evaporador para obtener la temperatura deseada. En el condensador existe una
relación similar entre la presión y la temperatura. Durante muchos años, uno de
los refrigerantes más utilizados fue el diclorodifluorometano, conocido como
refrigerante-12. Este compuesto clorofluorocarbonado (CFC) sintético se
transformaba en vapor a -6,7 °C a una presión de 246,2 kPa
(kilopascales), y después de comprimirse a 909,2 kPa se condensaba a
37,8 °C.
En los refrigeradores pequeños empleados en las viviendas para
almacenar comida, el calor del condensador se disipa a la habitación donde se
sitúa. En los acondicionadores de aire, el calor del condensador debe disiparse
al exterior o directamente al agua de refrigeración.
En un sistema doméstico
de refrigeración, el evaporador siempre se sitúa en un espacio aislado
térmicamente. A veces, este espacio constituye todo el refrigerador. El
compresor suele tener una capacidad excesiva, de forma que si funcionara
continuamente produciría temperaturas más bajas de las deseadas. Para mantener
el refrigerador a la temperatura adecuada, el motor que impulsa el compresor
está controlado por un termostato o regulador.
Los congeladores para
alimentos ultracongelados son similares a los anteriores, sólo que su compresor
y motor tienen que tener la potencia y tamaño suficientes para manejar un mayor
volumen de refrigerante con una presión menor en el evaporador. Por ejemplo,
para mantener una temperatura de -23,3 °C con refrigerante-12 se
necesitaría una presión de 132,3 kPa en el evaporador.
El
refrigerante-12 y otros dos CFC, el refrigerante-11 y el refrigerante-22, eran
los principales compuestos empleados en los sistemas de enfriamiento y
aislamiento de los refrigeradores domésticos. Sin embargo, se ha descubierto que
los CFC suponen una grave amenaza para el medio ambiente del planeta por su
papel en la destrucción de la capa de ozono. Según el Protocolo de Montreal, la
fabricación de CFC debía finalizar al final de 1995. Los
hidroclorofluorocarbonos, HCFC, y el metilbromuro no dañan la capa de ozono pero
producen gases de efecto invernadero. Los HCFC se retirarán en el 2015 y el
consumo de metilbromuro se limitará en un 25% en 1998. La industria de la
refrigeración debería adoptar rápidamente otros compuestos alternativos no
perjudiciales, como el metilcloroformo.
Consideraciones Relativas Al Refrigerante
La siguiente cuestión es
importante para saber que tipo de sustancia debemos utilizar en el sistema de
refrigeración. Hay muchas opciones como la tabla 1, pero es deseable tener una
presión de entrada al compresor que sea igual o mayor que la atmosférica, de
modo que el aire no se infiltre en el sistema de refrigeración.
|
Designación numérica |
Fórmula química |
Peso molecular |
Punto de ebullición. K |
Temp. Crítica. K |
Presión crítica MPa |
Entalpía en pto. Ebull KJ/Kgmol |
Uso común |
Grupo de seguridad |
|
729 |
Aire |
28.97 |
78.8 |
132.6 |
3.77 |
|
Sí |
1 |
|
13 |
CClF3 |
104.47 |
191.7 |
302 |
3.87 |
15503 |
No |
1 |
|
744 |
CO2 |
44.01 |
194.6 |
304.1 |
7.38 |
23306 |
Sí |
1 |
|
13B1 |
CBrF3 |
148.9 |
215.4 |
340.1 |
3.96 |
17679 |
Sí |
1 |
|
22 |
CHClF3 |
86.48 |
132.4 |
369.1 |
4.98 |
20425 |
Sí |
1 |
|
717 |
NH3 |
17.03 |
239.8 |
406.1 |
11.42 |
23328 |
Sí |
2 |
|
12 |
CCl2 F2 |
120.93 |
243.4 |
385.1 |
4.11 |
19969 |
Sí |
1 |
|
114 |
CClF2 CClF2 |
170.93 |
276.7 |
418.9 |
3.27 |
23442 |
Sí |
1 |
|
21 |
CHCl2 F |
102.93 |
282.1 |
451.6 |
5.17 |
24918 |
No |
1 |
|
11 |
CCl3F |
137.38 |
296.7 |
471.1 |
4.38 |
25022 |
Sí |
1 |
|
113 |
CCl2FCClF2 |
187.39 |
320.7 |
487.3 |
3.41 |
27493 |
Sí |
1 |
Grupo de seguridad 1: toxicidad despreciable.
Grupo de seguridad 2:
Tóxico, flamable, o ambas cosas
Frigorífico Por Compresión De Vapor
Existen algunas desventajas del
sistema que acabamos de mencionar. Primero, los compresores de movimiento
alternativo no deben operar con una mezcla de líquido y vapor más saturados,
puesto que el aceite lubricante del cilindro puede ser arrastrado o barrido
durante el proceso de compresión. Segunda, el trabajo realizado en el expansor
resultaría muy pequeño comparado con el que tiene lugar en el compresor. En
cambio este tipo de refrigeración resuelve estos problemas, en dos modos.
Primero, el proceso de expansión en un proceso de estrangulación irreversible
para la cuál solo se necesita una válvula adecuada y segundo, el refrigerante
recibe calor hasta convertirse en vapor saturado.
El primer modo de
refrigeración que utilizó el ser humano fue el contacto con trozos de hielo. Una
vez que desarrolló medios más elaborados para producir su efecto frigorífico,
expresó su capacidad en términos de una unidad accesible derivada del efecto de
fusión del hielo. El "calor latente de fusión" del hielo vale 334.9 KJ/Kg, que
es el valor usual. En la práctica se utiliza el efecto frigorífico producido por
una tonelada inglesa de hielo, es decir 907.18kg, por tanto el efecto es 3.0384
x 105 KJ.
Sistemas Frigoríficos Por Compresión De Vapor En Cascada
En este caso, en
vez de tener un escalonamiento como en los pasos de un compresor, todo el
sistema se hace funcionar en etapas o cascada. Esto permite la obtención de
temperaturas menores para la refrigeración, con una cantidad fija de trabajo de
compresión. La presión óptima entre etapas es pi, que equivale a pi =
(phpl)1/2 donde ph es la presión máxima y pl es la presión
mínima.
Sistemas Frigoríficos Por Absorción De Vapor
El mayor gasto operativo de
los sistemas de refrigeración por compresión de vapor se debe a que el trabajo
(el 100% de la energía disponible) es empleado para transferir calor desde una
cierta temperatura hasta otra mayor, No obstante, el trabajo se transforma en
calor y es cedido por el sistema en el condensador. Para corregir este uso de la
energía disponible, podemos utilizar la propiedad de absorción de gases por
parte de ciertos líquidos aprovechando para transmitir calor desde una cierta
temperatura hasta otra más alta. En el proceso de absorción se observa una
reacción química de liberación de calor (exotérmica). Como el vapor se condensa
en otro fluido la entalpía de dicho vapor así como el calor de la reacción
tienen que ser extraídos. Existen varios tipos de sistemas de refrigeración por
absorción de vapor, entre ellos el de amoníaco y agua, el de agua y bromuro de
litio y el de agua y cloruro de litio.
Aquí veremos el de agua y amoniaco.
Los otros dos utilizan el agua como refrigerante, lo cuál resulta muy práctico
en el acondicionamiento de aire donde no se necesita una temperatura menor de
0°C sin embargo, el sistema de amoniaco y agua es capaz de proporcionar
temperaturas debajo de 0°C y alcanzar temperaturas tan bajas como las del
sistema por compresión de vapor de amoniaco. En este caso, el amoniaco es el
refrigerante(R) y el agua es el portador (P). El vapor de amoniaco es absorbido
por el agua en estado líquido.
Bomba Térmica (Convertidor Térmico)
La llamada bomba térmica (o sistema de
bombeo de calor) es un convertidor térmico reversible. Puede emplearse para
calefacción doméstica en invierno y para acondicionamiento de aire fresco
durante el verano. Básicamente se trata de un sistema frigorífico por compresión
de vapor provisto de una combinación de fuente y resumidero de calor que se
instala en el exterior, y funciona como la primera o el segundo según el clima
imperante. El compresor está diseñado de acuerdo con la mayor demanda
(calentamiento o enfriamiento).
En invierno se empleará para calefacción el
calor cedido en el condensador. Por lo general, se utilizan sistemas de
calefacción con aire caliente junto con los convertidores reversibles. El
condensador enfriado por aire ambiente es así el calefactor doméstico. El
evaporador, o sea, el absorbedor de calor que interviene en un sistema de
refrigeración, se coloca en el exterior de la casa. El serpentín del evaporador
puede colocarse en un pozo de agua o en una pila o estanque, en caso de ser
posible; de lo contrario se instalará simplemente expuesto al aire. El
coeficiente de funcionamiento que corresponde a esta modalidad de operación
(calefacción = heating) es:
COPh = efecto deseado/suministro = qsal/Wnet =
h3-h4/h3-h2
En verano el evaporador se colocará dentro de la casa y el
condensador fuera. El calor generado o existente en las habitaciones será
absorbido por el evaporador; luego el refrigerante será comprimido y enfriado
posteriormente. El condensador también puede colocarse en un estanque o en un
pozo de agua; si no fuera posible el equipo de condensación será enfriado por el
aire exterior. Es obvio que con algunos tubos adicionales y un par de válvula,
el condensador y el evaporador podrían invertir sus funciones, sin cambio de
lugar, dependiendo del efecto deseado. El coeficiente de funcionamiento que
corresponde a esta modalidad de operación (refrigeración = cooling) es:
COPc
= efecto deseado/suministro = qentr/ Wnet = h2-h1/h3-h2
La capacidad de un
convertidor térmico, la potencia del motor del compresor, así como la cantidad
de refrigerante deben evaluarse considerando ambas modalidades de operación. La
de mayor demanda determinará la capacidad del sistema. Debido a la mayor
capacidad necesaria en la calefacción, el empleo de una bomba térmica se
aprovecha primordialmente en las regiones donde la temperatura invernal no es
demasiado baja. La demanda de acondicionamiento de aire permanente (o sea para
todo el año) ha intensificado en algunos países de los sistemas de bombeo
térmico, aún en regiones con muy bajas temperaturas invernales. Otra razón de
ello es que el costo del combustible se ha elevado hasta un punto tal, que la
bomba térmica resulta ahora competitiva, desde el punto de vista económica, con
los aparatos de combustión para calefacción doméstica.
Criogenia Y Licuefacción De Gases
Los procesos de refrigeración que tienen
por objeto la producción de temperaturas muy bajas reciben el nombre de
criogénicos. El límite exacto a partir del cual se considera una temperatura
como criogénica no se encuentra rigurosamente definido; sin embargo, diversas
autoridades establecen que temperaturas entre 173°K y 123°K pueden denominarse
criogénicas. Para obtener tales temperaturas se utilizan sistemas frigoríficos
en cascada, como las analizadas anteriormente.
En el sistema en cascada se
emplean distintos refrigerantes en cada etapa, de manera que la temperatura del
evaporador en el paso de temperatura más baja será la adecuada al propósito
deseado; por ejemplo para la licuación o licuefacción de un gas. Se usan
distintos refrigerante, y la presión a la entrada del compresor se mantiene
siempre arriba de la presión atmosférica; esto evita la infiltración del aire
externo y significa también que el volumen específico en la entrada no será
suficientemente grande que ocasione un aumento importante en el trabajo
necesario para llevar acabo la compresión.
Los gases se encuentran muy
sobrecalentados, lo cuál explica porque podemos utilizar la ecuación de estado
del gas ideal. Un fenómeno termodinámico importante, el efecto de Joule y
Thompson se emplea con frecuencia en operaciones criogénicas o de licuefacción
de gases.
Un proceso de estrangulación no produce cambio de entalpía y por
tanto, en el caso de un gas ideal, la temperatura permanece constante:
h = u
+ pv = cvT + RT
Sin embargo, en los gases reales el proceso de
estrangulamiento produce un cambio de temperatura, ascendente o descendente. El
coeficiente de Joule-Thompson, µ, se define como:
µ =(
Refrigeración del motor
La refrigeración del motor; que tiene por objeto
mantener dentro de los límites de seguridad la temperatura de sus órganos. El
refrigerante más empleado es el agua, y el sistema de refrigeración utilizado es
el de la circulación forzada mediante bomba. La refrigeración por aire es mucho
más simple; consiste en hacer circular una corriente de aire entre los
cilindros, que van provistos de aletas para aumentar la superficie
de refrigeración.
11. Transferencia de calor.
Principios fundamentales
Siempre que existe una diferencia de
temperatura en el universo, la energía se transfiere de la región de mayor
temperatura a la de menor temperatura. De acuerdo con los conceptos de la
termodinámica, esta energía transmitida se denomina calor.
Las leyes de la
termodinámica tratan de la transferencia de energía, pero siempre se refieren a
sistemas que están en equilibrio, y solo pueden utilizarse para predecir la
cantidad de energía requerida para cambiar un sistema de un estado de equilibrio
a otro, por lo que no sirven para predecir la rapidez con que puedan producirse
estos cambios.
La ciencia llamada transmisión o transferencia de calor
complementa los principios primero y segundo de la termodinámica clásica,
proporcionando los métodos de análisis que pueden utilizarse para predecir la
velocidad de la transmisión del calor, además de los parámetros variables
durante el proceso en función del tiempo.
Para un análisis completo de la
transferencia del calor es necesario considerar mecanismos fundamentales de
transmisión: conducción, convección y radiación, además del mecanismo de
acumulación. El análisis de los sistemas y modelos de intercambio de calor
requieren familiaridad con cada uno de estos mecanismos y sus fundamentos, así
como de sus interacciones.
En este capítulo se consideran los principios
básicos de la transmisión del calor y algunas aplicaciones simples, para tratar
a continuación con detalle los casos particulares y sus modelos de análisis
específicos, relacionados con situaciones reales de cerramientos de
edificios.
Tal como se expuso en la introducción general, no serán objeto de
este estudio los casos de transmisión de calor relacionados con la transferencia
de masa, tales como la permeabilidad al aire de los cerramientos y las
condensaciones, ni los casos de existencia de fuentes o sumideros de calor en el
interior de los cerramientos diferentes a la simple acumulación.
El calor
puede transmitirse de tres maneras. Puesto que el calor es la energía de la
actividad molecular, una forma simple de transferencia del mismo, denominada
conducción, será la comunicación directa de la energía molecular a través de una
sustancia por medio de colisiones entre sus moléculas. Los metales contienen
electrones "libres", que hacen de ellos buenos conductores de la electricidad;
estos electrones contribuyen también poderosamente a la conducción del calor,
por esto, los metales son magníficos conductores térmicos; Convección es una
forma de transmisión del calor de un lugar a otro por movimiento de la materia
caliente. Otro tipo de transferencia de calor puede ser por combinación de
radiación y absorción. En la radiación, la energía térmica se transforma en
energía radiante, similar en su naturaleza a la luz. En realidad, una parte de
esta radiación es luminosa. En esta forma, la energía radiante puede atravesar
distancias enormes antes de ser absorbida por un cuerpo y transformada de nuevo
en calor. Por ejemplo, la energía radiante procedente del sol se convierte en
calor en la superficie de la Tierra ocho minutos después de su salida.
Conducción
La cantidad de calor que fluye a través de un cuerpo por
conducción depende del tiempo, del área a través de la cual fluye, del gradiente
de temperatura y de la clase de material.
La conducción es el estar en
circulación, la conducción se encuentra normalmente en combinación con la
convección. Por consiguiente, la conducción pura tiene lugar funda-mentalmente
en los sólidos opacos, en donde el movimiento de masa se encuentra impedido.
Considérese un experimento, que consiste en una barra uniforme de sección A
perfectamente aislada sobre todos los lados excepto en los extremos; es decir,
el calor sólo puede fluir en la dirección x. Cuando un extremo de la barra se
mantiene a ti y el otro a t2, se transferirán de manera continua Q Btu/hr de la
estación CD a la estación @. Si el área de la sección de la barra se duplica
mientras se mantienen constantes las demás condiciones, se encontrará que ahora
se transfiere 2Q. En otras palabras, el ritmo al que se transfiere calor es
directamente proporcional al área de la sección de la barra en la dirección
normal ala dirección del flujo e calor. Regresando a la barra original, se hace
ahora que la diferencia de temperatura (tl –tJ) sea el doble de su valor
original, y de nuevo se encuentra que el ritmo con que se transfiere calor es
2Q; en consecuencia, se concluye que el ritmo con que se transfiere calor es
directamente proporcional ala diferencia de temperaturas entre los extremos de
la barra. Por último, regresando a las condiciones originales, se hace ahora la
barra del doble de largo (2L), y en esta ocasión se encuentra que sólo se
transfiere la mitad de la cantidad de calor, lo que lleva a la conclusión de que
el ritmo de transferencia de calor es inversamente proporcional a la longitud de
la barra. Si se combinan estos hechos en un enunciado matemático, se tiene
Q
Existen grandes diferencias de conductividad térmica para distintos
materiales.
Los gases tienen una conductividad muy pequeña. Igualmente, los
líquidos son en general malos conductores. En el caso de los sólidos, la
conductividad térmica varía de una forma extraordinaria, desde valores
bajísimos, como en el caso de las fibras de amianto, hasta valores muy altos
para l caso de los metales.
Los materiales fibrosos, como el fieltro o el
amianto, son muy malos conductores (buenos aislantes) cuando están secos ;
si se humedecen, conducen el calor bastante bien. Una de las dificultades para
el uso de estos materiales como aisladores es el mantenerlos secos.
La
conductividad térmica es una propiedad física de cada sustancia, y puede variar
ligeramente en función de la temperatura y de las características particulares
del material, como puede ser el contenido de humedad de los materiales
constructivos. En los casos que el material no sea homogéneo, como las fábricas
de ladrillo, o que su estructura sea anisótropa, como es el caso de la madera,
será preciso determinar la conductividad para la dirección del flujo
considerado.
Convección
La transferencia de calor por convección de un cuerpo comprende
el movimiento de un fluido en relación con el cuerpo. Si el movimiento es
provocado por las diferencias de densidad debidas a la diferencia de temperatura
en las diferentes localidades del fluido, se conoce como convección natural. Si
el movimiento del fluido es provocado por un agente externo como un ventilador,
se denomina convección forzada. La transferencia de calor desde una superficie
cuya temperatura es mayor que la del fluido de los alrededores ocurre de un modo
complejo. No obstante, es posible imaginarla como si ocurriera en el siguiente
orde. Primero, las partículas del fluido adyacente a las paredes se calientan
por conducción desde la pared, lo que incrementa sus temperaturas. Estas
partículas "calientes" chocarán con partículas frías, proporcionándoles parte de
su energía. Esta acción ocurrirá debido tanto al movimiento de las partículas
como al movimiento del fluido más caliente en relación con el fluido más frío.
Para distinguir los tipos de mecanismos de transferencia de calor convectivos,
es necesario analizar en forma breve el mecanismo de flujo.
El término flujo
laminar ( o aerodinámico) se aplica a un régimen de flujo en el que el flujo es
suave y el fluido se mueve en estratos o trayectorias paralelas entre sí. Cuando
un fluido se mueve en un flujo laminar sobre una superficie más caliente, se
transfiere calor principalmente por medio de la conducción molecular dentro del
fluido y desde un estrato hasta otro. Este tipo de transferencia de calor por
convección conduce a ritmos de transferencia de calor bajos. En contraste con el
flujo laminar existe el régimen de flujo conocido como flujo turbulento. Como su
nombre lo indica, este tipo de flujo se caracteriza por corrientes que provocan
la mezcla de los estratos de fluido hasta que estos estratos se hacen
indistinguibles. La mezcla del fluido debido a esta turbulencia hace que se
incremente la transferencia de calor, y por tanto mientras mayor sea
la
turbulencia, mayor será el ritmo de transferencia de calor.
La
ecuación básica para la transferencia de calor por convección se conoce como ley
de Newton de enfriamiento y está dada por
Q = hA(
La transferencia de calor por corrientes de convección en un líquido o en un
gas, está asociada con cambios de presión, debidos comúnmente a cambios locales
de densidad. Un aumento de temperatura en un fluido va acompañado por un
descenso de su densidad. Si aplicamos calor en la base de un recipiente, el
fluido, menos denso en esta parte debido al calentamiento, será continuamente
desplazado por el fluido más denso de la parte superior. Este movimiento que
acompaña a la transmisión del calor se denomina convección libre. Ejemplos
clásicos de convección son : el movimiento del viento sobre la tierra, la
circulación del aguan en un sistema de calefacción doméstico. Algunas veces las
diferencias de presión se producen mecánicamente mediante una bomba o un
ventilador ; en tal caso, se dice que la conducción del calor ocurre por
convección forzada. En ambos casos, el calor pasa hacia dentro o fuera de la
corriente a lo largo del recorrido.
El método de las corrientes de convección
es uno de los más eficaces de transferencia de calor y debe tenerse en cuenta
cuando se diseñe o construya un sistema de aislamiento. Si se dejan en una casa
grandes espacios sin paredes, se forman muy fácilmente corrientes de convección,
produciéndose pérdidas de calor. Sin embargo, silos espacios se rompen en
pequeños recintos, no son posibles las corrientes de convección y las pérdidas
de calor por este método son muy pequeñas.
Por esta razón, los materiales
aislantes usados en las paredes de refrigeradores o en las de las casas son
poroso: viruta de corcho, corcho prensado, lana de vidrio u otros materiales
similares. Estos, no solamente son malos conductores por sí mismos, sino que
dejan además pequeños espacios de aire, que son muy malos conductores y, al
mismo tiempo, lo suficientemente pequeños para que no se produzcan corrientes de
convección.
El mecanismo de la convección
Cuando una superficie se pone en contacto
con un fluido a distinta temperatura se produce, en los primeros instantes, una
transmisión de calor por conducción, pero una vez que el fluido en contacto con
la superficie modifica su temperatura sufre una diferencia de densidad respecto
al resto del fluido, que hace que sea desplazado por éste al actuar las fuerzas
gravitatorias, lo que incrementa la transferencia del calor en una magnitud muy
superior al de la mera conducción. Este fenómeno se denomina convección libre o
natural, que es la que se suele considerar en ambientes interiores, ya que se
estima que el aire permanece prácticamente en reposo.
Otro caso es aquel en
que el aire se mueve fundamentalmente debido a fuerzas exteriores, tales como el
viento, en cuyo caso el proceso de transferencia de calor se incrementa
notablemente y se denomina convección forzada, que es el que habitualmente se
considera en superficies en contacto con el ambiente exterior.
Existe un
tercer caso, intermedio entre los anteriores, en que las fuerzas actuantes,
debidas a la variación de la densidad y las acciones exteriores (viento), son de
magnitud parecida, produciéndose una superposición de los efectos de la
convección libre y la forzada, y que se denomina convección mixta. Es el caso
mas general porque en la práctica siempre hay variación de densidad y además el
aire no está en reposo absoluto
Radiación.
La transferencia de calor por radiación no requiere ningún
medio material intermedio en el proceso. La energía se traslada desde la
superficie del sol hasta la tierra, donde es absorbida y convertida en energía
calorífica. La energía emitida por un filamento de lámpara eléctrica atraviesa
el espacio entre filamento y bulbo aunque no tenga ningún gas en su interior.
Energía de esta naturaleza la emiten todos los cuerpos. Un cuerpo que absorbe
esta energía radiante la convierte en calor, como resultado de un aumento de su
velocidad molecular.
Todos los cuerpos calientes emiten energía radiante. Una
estufa, por ejemplo, emite energía radiante hasta que encuentra cualquier objeto
donde, en general, es parcialmente reflejada, parcialmente absorbida y
parcialmente transmitida. Sucede lo mismo que con la luz, excepto que no produce
sensación en la vista. La energía radiante calorífica difiere de la luz
únicamente en la longitud de onda.
Hay grandes diferencias en la
transparencia de las diversas sustancias a la radiación calorífica. Algunos
materiales tales como el caucho duro, óxido de níquel, vidrios especiales o una
disolución de sulfuro de carbono y yodo, opaca a la luz, son casi transparentes
a las radiaciones caloríficas. Los vidrios de ventana ordinarios, casi
completamente transparentes a la luz, absorben radiaciones caloríficas.
El
tejado de vidrio de un invernadero es transparente a las radiaciones visibles y
al infrarrojo próximo procedente del sol. Esta energía se convierte en calor
cuando es absorbida por los objetos que están dentro del invernadero. Estos
objetos se calientan y radian energía, pero, dado que su temperatura no es alta,
la radiación calorífica que emiten no es idéntica a la que recibieron. El vidrio
no transmite esta energía calorífica y, por tanto, la energía radiada por los
cuerpos que están dentro del invernadero no puede salir. Un invernadero actúa,
por tanto, como una trampa para energía, y dado que las pérdidas por radiación y
convección se previenen en alto grado, la temperatura interior puede ser muy
superior a la del exterior, siempre que reciba energía solar directa.
Mecanismo de la radiación.
La radiación es un proceso por el cual fluye
calor desde un cuerpo de alta temperatura a un cuerpo de baja temperatura,
cuando éstos están separados por un espacio, inclusive el vacío absoluto.
La
energía transmitida de esta forma se denomina calor radiante o energía radiante
que es de la misma naturaleza que la luz visible ordinaria y viaja a una
velocidad de 300 000 Km/s. (3 x 1010 cm/s) con la diferencia
únicamente en sus respectivas longitudes de onda.
La cantidad de energía
radiante puede evaluarse mediante la siguiente expresión:
Cuando la radiación incide sobre un cuerpo, es parcialmente absorbida,
parcialmente reflejada y parcialmente transmitida, a través del cuerpo.
Luego:
Consideremos el intercambio de calor radiante entre superficies, en
un medio que no absorbe, emite ni dispersa la radiación, que puede ser el vacío
o aire a baja temperatura.
La radiación de superficies reales difiere
en varios aspectos a la radiación del cuerpo negro, mientras que la energía
radiada por un cuerpo negro es:
Un cuerpo real radia menos energía que un cuerpo negro a la misma temperatura
La emisividad es función de la longitud de onda, para los materiales que son
buenos conductores eléctricos tales como el
cobre, aluminio, etc. La
emisividad decrece con el aumento de la longitud de onda. Los materiales no
conductores de la electricidad como la arcilla, plástico, loza, etc. Su
emisividad aumenta con la longitud de onda.
Para cálculos de transferencia
de calor se requiere una emisividad promedio o una absorbancia promedio para la
banda de longitudes de onda en la que emite o absorbe la mayor parte de la
radiación.
Para dos cuerpos radiadores de igual geometría a temperaturas
T1 y T2 el calor transferido es:
qr =
Intercambiadores de calor.
Cuando se transfiere calor de un fluido a otro
en un proceso industrial, sin mezclarlos, los fluidos están separados y la
transferencia de calor se lleva a cabo en un aparato conocido como
intercambiador de calor. Un intercambiador de calor puede ser de diversas formas
y tamaños, y usualmente está diseñado para realizar una función específica. Las
plantas de generación a vapor usan intercambiadores de calor como condensadores,
economizadores, calentadores de aire, calentadores del agua de alimentación,
recalentadores, etc. es común diseñar intercambiadores de calor por medio de su
forma geométrica y sus direccioners relativas de flujo de los fluidos de
transferencia de calor.
La ley de Newton para los intercambiadores de calor puede escribirse
así,
Q = UA(
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Trabajo enviado por:
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