Equipos para la transferencia de calor

Equipos para la transferencia de calor
La trasferencia de calor se realiza a través de una pared metálica o de un
tubo que separe ambos fluidos. En general, un cambiador de calor es un aparato
recorrido por dos o más medios, uno de los cuales cede al demás calor o el frío. Si
un proceso químico debe desarrollarse de una forma prevista de antemano, será
preciso realizarlo a una determinada temperatura.
Tipos de equipos para la transferencia de calor
El equipo de transferencia de calor se define por las funciones que
desempeña en un proceso, así:
 Los intercambiadores recuperan calor entre dos corrientes en un proceso.
 Los calentadores se usan primeramente para calentar fluidos de proceso, y
generalmente se usa vapor con este fin.
 Los enfriadores se emplean para enfriar fluidos en un proceso, siendo el
agua el medio enfriador principal.
 Los condensadores son enfriadores cuyo propósito principal es eliminar
calor latente en lugar de calor sensible.
 Los hervidores tienen el propósito de suplir los requerimientos de calor en
los procesos como calor latente.
 Los evaporadores se emplean para la concentración de soluciones por
evaporación de agua u otro fluido.

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para recuperar de
manera eficiente el calor entre dos corrientes o fluidos de un proceso. el calor es
recuperado al transferirse desde la corriente a mayor temperatura hacia la
corriente de menor temperatura. La transmisión de calor se lleva a cabo Mediante
los mecanismos de conducción y convección. Las corrientes o fluido pueden estar
separados por una barrera sólida o pueden estar en contacto. Un intercambiador
típico es el radiador de motor de un automóvil en el que el fluido refrigerante,
calentado por la acción del motor, se refrigera por la corriente de aire que fluye
sobre él y a su vez, reduce la temperatura del motor volviendo a circular en el
interior del mismo. Por otro lado, “condensador de contacto directo” es una unidad
en la cual el vapor es condensado mediante contacto directo con gotas de agua.
El condensador es una unidad, en la cual los vapores de proceso se convierten
total o parcialmente en líquidos. Generalmente, se utiliza agua o aire como medio
de enfriamiento.
Equipos de refrigeración
Un equipo de refrigeración, o "máquina frigorífica", es una máquina térmica
diseñada para tomar la energía calorífica de un área específica y evacuarla a otra,
su funcionamiento según el Segundo Principio de la Termodinámica, es necesario
aplicar un trabajo externo, por lo cual el refrigerador, sea cual sea su principio de
funcionamiento, consumirá energía.
Desde el punto de vista comercial, el aparato más común es el frigorífico
doméstico (nevera) o refrigerador, en el que la maquinaria (de compresión
generalmente, pero también existen de absorción, funcionando con gas butano o
con queroseno) consigue extraer calor de un armario cerrado cediéndolo en el
ambiente de la cocina, con un nivel térmico (temperatura) más alto. Las neveras y
congeladores de mayor precio están equipadas con circuitos para su
descongelamiento automático, mientras que las combinaciones nevera-congelador
siempre cuentan con este circuito auxiliar.

Elementos de un refrigerador (neveras).
Los elementos mínimos son:
• Compresor: es un dispositivo mecánico que bombea el fluido
refrigerante, creando una zona de alta presión y provocando el movimiento del
refrigerante en el sistema.
• Condensador: generalmente es un serpentín de cobre con laminillas
de aluminio a modo de disipadores de calor. Su función es liberar el calor del
refrigerante al ambiente.
• Evaporador: también es un serpentín, pero su presentación varia. El
de los equipos de acondicionamiento de aire es muy similar al condensador, pero
en los refrigeradores domésticos suele ir oculto en las paredes del congelador. Su
función es que el refrigerante absorba calor del área refrigerada.
• Dispositivo de expansión: según el caso puede ser una válvula de
expansión o un tubo capilar. En cualquier caso, es un punto donde hay una
pérdida de carga muy grande, por reducción de la sección de paso; su función es
dejar que el refrigerante pase desde la parte del circuito de alta presión a la de
baja presión, expandiéndose.
Elementos usualmente anexos:
• Termostato: su función es apagar o encender automáticamente el
compresor a fin de mantener el área enfriada dentro de un campo de
temperaturas.
• Ventilador: su función es aumentar el flujo de aire para mejorar el
intercambio de calor. Generalmente está en el área del condensador. Según el
tipo de dispositivo que sea, puede haber ventilador (evaporador de aire forzado) o
no (evaporador estático) en el área del evaporador.

Funcionamiento del ciclo:
A fin de hacer circular el fluido refrigerante y optimizar su absorción de calor
se utiliza un compresor:
1. El compresor absorbe el refrigerante como un gas a baja presión y
baja temperatura, y lo mueve comprimiéndolo hacia el área de alta presión, donde
el refrigerante pasa a ser una mezcla de gas y líquido a alta presión y alta
temperatura.
2. Al pasar por el condensador el calor del refrigerante se disipa al
ambiente (y sigue a alta presión).
3. De ahí, pasa a través de una válvula de tres vías que separa las
áreas de alta presión y baja presión. Al bajar la presión, la temperatura de
saturación del refrigerante baja, permitiendo que absorba calor.
4. Ya en el lado de baja presión, el refrigerante llega a una válvula de
expansión que se encuentra en el evaporador, donde absorbe el calor del
ambiente. De ahí pasa otra vez al compresor, cerrando el ciclo.

Equipos de aire acondicionado
Están diseñados para controlar las condiciones de temperatura y humedad
en ambientes individuales, y se clasifican en:
1. Unidades de ventana
2. Unidades tipo Split
3. Unidades compactas
1. Unidad de ventana:
Se le atribuye este nombre debido al lugar donde este puede ser colocado,
esto es, en la ventana de una habitación, o en una apertura hecha en la pared.
Solo requieren de una estructura ligera de apoyo o soporte y un tomacorriente con
la tensión, frecuencia y capacidad de corriente requerida por el aparato. El equipo
se desliza dentro de una caja metálica que le sirve de protección contra los
cambios de clima y puede extraerse totalmente para su mantenimiento. En la
misma base extraíble se montan todos los componentes del sistema de
refrigeración y sus controles (como se muestra en la figura); separando los
componentes del lado a alta presión de los del lado de baja, por un panel que
provee aislamiento térmico y sonoro.

En la parte exterior de este panel se ubican el compresor, condensador,
filtro secador, capilar o válvula de expansión automática y motor eléctrico con sus
componentes de control. El motor eléctrico dispone de doble salida de eje (una en
cada extremo) destinadas a mover el aspa de ventilación del condensador y
compresor en su extremo externo, y la turbina de movimiento del aire en a través
del evaporador en el extremo opuesto, que pasa al interior a través de un orificio
en el panel de separación.
En el frente del aparato se ubica el serpentín del evaporador, a través del
cual es aspirado el aire ambiental de la habitación. El aire aspirado por la turbina
es expulsado a través de unas aperturas dispuestas encima del evaporador para
ser devuelto a la habitación. Estas aberturas tienen deflectores cuya función es
dirigir el flujo de aire saliente en la dirección que el usuario desee. Mediante un
control se puede abrir o cerrar una toma de aire exterior que permite renovar el
aire de la habitación en caso de que este se encuentre viciado; cuando este
control se encuentra en la posición abierta el equipo reduce su capacidad de
enfriamiento pues está admitiendo una cierta cantidad de aire del exterior, que se
encuentra a una temperatura superior.

El aire que pasa a través del evaporador condensa humedad del aire, la
cual gotea hasta una bandeja recolectora que descarga a través de un orificio
dispuesto en el borde exterior de la base.
Frente al evaporador se coloca un filtro de partículas sólidas con el fin de
purificar el aire, el cual debe ser limpiado con cierta frecuencia pues la turbina del
evaporador es de gran caudal, capaz de renovar el aire de la habitación que se
está enfriando varias veces por hora. Este alto caudal también evita que el
evaporador se congele. Cuando el filtro de polvo se obstruye, se puede observar
como una consecuencia que el evaporador comienza a congelarse.
2. Unidades tipo Split:
Su costo es más elevado, presentan la ventaja de menor nivel de ruido que las
unidades de ventana pues el único componente instalado en la habitación es la
consola donde se encuentran: válvula de expansión automática, evaporador,
turbina, filtro de polvo, control de temperatura (remoto) y deflectores del flujo de
aire.
El resto del equipo se monta en un sitio adyacente, fuera de la habitación, y
ambas unidades (como se muestra en la figura) se conectan mediante dos tubos
de cobre de pequeño diámetro. Toda la sección de alta presión se monta en la
unidad exterior, denominada condensadora, donde se instalan: compresor (casi

siempre rotativo), condensador de aire forzado, motor ventilador de condensación
y los controles asociados a estos elementos.
3. Unidades compactas
Tal como las unidades de ventana, todo el equipo está instalado en un
gabinete que aloja todos los componentes del sistema (como se muestra en la
figura). El condensador puede ser enfriado por aire o por agua. Deben estar
equipadas con entrada de aire para renovación del aire del ambiente a
acondicionar y sistema de recolección y evacuación del agua condensada. Se
emplean habitualmente en instalaciones comerciales donde el espacio es muy
limitado y las necesidades de enfriamiento no pueden ser satisfechas por otro tipo
de acondicionador de aire.

Equipos de calefacción.
Hay dos tipos de sistemas de calefacción que son más comunes en un
nuevo hogar: aire forzado o radiante, con el aire forzado que se utiliza en la
mayoría de los hogares. La fuente de calor es una unidad de calefacción, que
quema un gas, o una bomba de calor eléctrica. Estas unidades generalmente se
instalan con acondicionadores centrales de aire. Las bombas de calor
proporcionan calefacción y enfriamiento. Algunos sistemas de calefacción están
integrados con sistemas para calefacción de agua.
 Componentes de sistema de aire forzado:
La mayoría de los nuevos hogares tienen sistemas de aire forzado de
calefacción y de enfriamiento. Estos sistemas utilizan una unidad central además
de un acondicionador de aire, o una bomba de calor. Los sistemas de aire forzado
utilizan una serie de conductos. Estos conductos distribuyen el aire calentado o
enfriado a través del hogar. Un soplador, situado en una unidad llamado un
tratante del aire, fuerza el aire acondicionado a través de los conductos. En
muchos sistemas residenciales, el soplador forma parte integral del recinto cerrado
de la unidad de calefacción/enfriamiento.

Sistemas de calefacción radiante
Los sistemas de calefacción radiante combinan típicamente una caldera
central, un calentador de agua o un calentador de agua con una bomba con
tubería, para transportar el vapor o el agua caliente en al área habitable. La
calefacción se entrega a los cuartos en el hogar vía radiadores o sistemas
radiantes en el piso, tales como losas radiantes o tubería debajo del piso.
Equipo de la bomba de calor
Las bombas de calor están diseñadas para mover el calor de un fluido a
otro. El fluido dentro del hogar es el aire y el fluido en el exterior es aire (fuente de
aire), o agua (geotérmica). En el verano, el calor del aire interior se mueve al fluido
exterior. En el invierno, el calor se toma del fluido exterior y se mueve al aire
interior.
Bombas de calor con fuente de aire
El tipo más común de bomba de calor es la bomba de calor con fuente aire.
La mayoría de bombas de calor funcionan por lo menos con el doble de la
eficiencia de los sistemas de calefacción convencionales de resistencia eléctrica
en la zona de clima 4. Tienen cursos de vida típicos de 15 años, comparados a los
20 años para la mayoría de las unidades. Las bombas de calor utilizan el ciclo de
compresión de vapor para mover calor (como se muestra en la figura).
Una válvula de inversión permite que la bomba de calor trabaje
automáticamente en el modo de calefacción o el modo de enfriamiento. El proceso
de calefacción es:

1. El compresor (en la unidad exterior) presuriza el refrigerante, que se
transporta por tubos adentro.
2. El gas caliente entra en la bobina de condensación del interior. El aire del
cuarto pasa por la bobina y es calentado. El refrigerante se enfría y se condensa.
3. El refrigerante, que es ahora un líquido presurizado, fluye afuera a una
válvula reguladora donde se expande para convertirse en un líquido fresco de baja
presión.
4. La bobina del evaporador exterior, que sirve como el condensador en el
proceso de enfriamiento, utiliza el aire exterior para hervir en un gas el refrigerante
frío, líquido. Este paso completa el ciclo.
5. Si el aire exterior es tan frío que la bomba de calor no puede
calefaccionar adecuadamente el hogar, los calentadores de tira de resistencia
eléctrica proporcionan generalmente la calefacción suplementaria.
En forma periódica en el invierno, la bomba de calor debe cambiar al “ciclo
de descongelación,” que derrite cualquier hielo que se haya formado en la bobina
exterior. Los sistemas empaquetados y las unidades del cuarto utilizan los
componentes antedichos en una sola caja.

Plantas nucleares
Distinguimos dos tipos de reactores nucleares:
1. Reactores nucleares de investigación. Este tipo de reactores utilizan los
neutrones generados durante las reacciones de fisión nuclear para producir
radioisótopos que van a ser utilizados en otras aplicaciones de la energía
nuclear o bien para realizar estudios en materiales.
2. Reactores nucleares de potencia. Estos reactores se basan en el
aprovechamiento de la energía térmica que se genera en las reacciones de
fisión. La aplicación principal y más conocida de este tipo de reactores es la
generación de energía eléctrica en las centrales nucleares. Sin embargo,
también se utilizan para la desalinización de agua de mar, calefacción, o
bien para sistemas de propulsión.
Existen otras clasificaciones de los tipos de reactor nuclear dependiendo del
criterio utilizado. Entre los criterios más habituales se encuentran:
1. Según el combustible nuclear utilizado encontramos los reactores nucleares
de uranio natural y los reactores nucleares de uranio enriquecido. El
combustible nuclear de uranio natural contiene la misma proporción de
uranio que se encuentra en la naturaleza, mientras que en el combustible
de uranio enriquecido esta proporción se aumenta artificialmente. Otros
reactores utilizan óxidos mixtos de uranio y plutonio.
2. Según la velocidad de los neutrones producidas en las reacciones
nucleares de fisión: se distinguen los reactores rápidos y los reactores
térmicos.

3. Según el moderador utilizado pueden ser reactores nucleares de agua
pesada, de agua ligera o de grafito.
4. Según el material usado como refrigerante: los materiales más habituales
son un gas (helio o anhídrido carbónico) o agua (ligera o pesada). Algunas
veces estos materiales, a la vez, también actúan como moderador.
También se puede utilizar vapor de agua, sales fundidas, aire, o metales
líquidos como refrigerante.
Las diferencias entre los diferentes tipos de centrales nucleares de potencia
se basan en el tipo de reactor nuclear que utilizan para producir energía eléctrica.
La forma en que se genera electricidad a partir del vapor generado es similar en
todas las centrales nucleares.
Tipos de reactores nucleares de potencia
Los dos principales reactores nucleares de potencia utilizados son el reactor
de agua a presión y el reactor de agua en ebullición. Sin embargo existen otros
tipos que también vamos a describir.
 Reactor de agua a presión (PWR)
Este reactor nuclear utiliza uranio enriquecido en forma de óxido como
combustible nuclear. El moderador y el refrigerante utilizado pueden ser agua o
grafito.
La energía generada por el núcleo del reactor es transportada mediante el
agua de refrigeración que circula a gran presión hasta un intercambiador de calor.
El reactor se basa en el principio de que el agua sometida a grandes presiones
puede evaporarse sin llegar al punto de ebullición, es decir, a temperaturas
mayores de 100 °C. En el intercanviador el vapor se enfría y se condensa, y
vuelve al reactor en estado líquido. En el intercambio hay traspaso de calor a un

circuito secundario de agua. El agua del circuito secundario, producto del calor,
produce vapor, que se introduce en una turbina que acciona un generador
eléctrico.
 Reactor de agua en ebullición (BWR)
En este reactor, el agua se utiliza como refrigerante y moderador. El
combustible nuclear es uranio enriquecido en forma de óxido ya que facilita la
generación de fisiones nucleares.
La energía térmica generada por la reacciones en cadena se utiliza para
hacer hervir el agua. El vapor producido se introduce en una turbina que acciona
un generador eléctrico. El vapor que sale de la turbina pasa por un condensador,
donde es transformado nuevamente en agua líquida. Posteriormente vuelve al
reactor al ser impulsada por un bomba adecuada.
 Reactor de uranio natural, gas y grafito (GCR)
Este tipo de reactor nuclear utiliza uranio natural en forma de metal como
combustible. El combustible se introduce en tubos de una aleación de magnesio
llamado magnox. El moderador utilizado es el grafito y el refrigerador es gas,
anhídrido carbónico.
La tecnología de este tipo de reactor nuclear, ha sido desarrollada
principalmente en Francia y Reino Unido.
 Reactor avanzado de gas (AGR)
Ha sido desarrollado en el Reino Unido a partir del reactor nuclear de uranio
natural-grafito-gas. Las principales novedades son que el combustible nuclear, en
forma de óxido de uranio enriquecido, está introducido en tubos de acero
inoxidable y que la vasija, de hormigón pre-tensado, contiene los cambiadores de
calor en su interior.

BIBLIOGRAFÍA
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https://es.wikipedia.org/wiki/Equipos_de_refrigeraci%C3%B3n
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