La temperatura importa en casi todo lo que hacemos, estamos tratando de calentar algo, enfriar algo o simplemente mantener una temperatura. Como ingeniero, a menudo necesitarás encontrar esa temperatura «justa». Una vez que lo averigües, ¿Cómo lo logras? Bueno, necesitas algunos equipos y aprender a usarlos. En concreto, necesitarás conocer los intercambiadores de calor y cómo pueden afectar la transferencia de calor. Pero no te confíes, estos intercambiadores están en todas partes.
Se presentan como radiadores en automóviles, donde transfieren energía térmica del motor para evitar que se sobrecaliente. También los encuentras en equipos militares, suministros de energía e incluso en dispositivos médicos. ¿Alguna vez te has hecho una radiografía? Pues, los rayos X producen una gran cantidad de calor, por lo que necesitan intercambiadores de calor para evitar dañar el equipo.
Incluso cuando creas algo asombroso, como algo que literalmente puede ver los huesos debajo de la piel, aún tienes que considerar sus subproductos. Los ingenieros no solo deben hacer una buena comida, también tenemos que limpiar la cocina. Entonces, los intercambiadores de calor son bastante importantes, sin ellos habría muchas cosas que no podríamos hacer.
Hay muchos tipos diferentes de equipos que puedes usar para transferir calor entre dos cosas. Se llaman intercambiadores de calor porque intercambian calor. Pero no te dejes engañar por la simplicidad del nombre, los intercambiadores de calor están en todas partes. Se presentan como radiadores en automóviles, donde transfieren energía térmica del motor para evitar que se sobrecaliente.
También los encuentras en equipos militares, suministros de energía e incluso en dispositivos médicos. ¿Alguna vez te has hecho una radiografía? Pues, los rayos X producen una gran cantidad de calor, por lo que necesitan intercambiadores de calor para evitar dañar el equipo. Incluso cuando creas algo asombroso, como algo que literalmente puede ver los huesos debajo de la piel, aún tienes que considerar sus subproductos.
Los ingenieros no solo deben hacer una buena comida, también tenemos que limpiar la cocina. Entonces, los intercambiadores de calor son bastante importantes, sin ellos habría muchas cosas que no podríamos hacer.
El tipo de intercambiador de calor que uses es aún más importante, ya que no siempre es tan simple como calentar algo o enfriarlo de cualquier manera. Hay mucho más que considerar. Por ejemplo, digamos que quieres calentar las sobras de anoche.
Técnicamente, puedes hacerlo prendiendo fuego a la pizza, pero a menos que te guste la corteza extra crujiente, eso parece un poco extremo. Una opción mucho mejor sería usar un microondas o un horno. De manera similar, si tu té está demasiado caliente para beberlo, podrías enfriarlo con una manguera de agua fría a presión, pero eso probablemente arruinaría tu té y todo lo que está cerca.
Sería mejor esperar un poco, poner tu té en una habitación más fría o dejarlo en el refrigerador. En ingeniería, necesitas herramientas y métodos más precisos. Los cirujanos tienen sus bisturíes, nosotros tenemos intercambiadores de calor.
Diferentes tipos de intercambiadores de calor
El primer y más básico ejemplo de un intercambiador de calor es el de {diseño de intercambiador tubo en tubo}. Aquí, un tubo se coloca dentro de otro, con un fluido más frío que se mueve a través del tubo interior y un fluido más cálido que fluye en el tubo exterior. Este fluido puede ser líquido o gas. Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos son comunes en acondicionadores de aire y en la mayoría de los intercambiadores de calor que encuentres.
Es importante señalar que los dos fluidos están aislados entre sí y nunca se mezclan. A medida que el fluido se mueve por los tubos separados, la energía se transfiere del fluido más caliente al más frío a través de la pared del tubo interior. En algunos casos, los fluidos fluyen en la misma dirección, lo que se conoce como flujo paralelo, y en otros casos se mueven en direcciones opuestas, lo que se conoce como flujo contrario.
Independientemente del flujo de los fluidos, probablemente querrás saber qué tan buena es la transferencia de calor. Para eso, hay dos ecuaciones principales que puedes usar para calcularlo. La primera ecuación analiza cada fluido individualmente y define la transferencia de calor (representada por la letra q) como el producto de tres propiedades de los fluidos elegidos: su caudal másico (m), su capacidad calorífica (c) y su cambio de temperatura (Δt) después de pasar por el intercambiador de calor.
Esta ecuación te dice que, sin importar qué, si hay un mayor cambio de temperatura en los fluidos, habrá una mayor transferencia de calor. Además, te dice que hay una mayor transferencia de calor si es un tipo de fluido que, en general, necesita más calor para aumentar su temperatura. Finalmente, te dice que se necesita una mayor transferencia de calor para lograr un cambio de temperatura dado en un fluido que se mueve muy rápido.
Supongamos que tienes un intercambiador de calor con el fluido más frío en el tubo interior que se mueve a una alta velocidad y el fluido más cálido en el tubo exterior que se mueve lentamente. Incluso si hay mucha transferencia de calor, es posible que no obtengas un aumento significativo de temperatura en el tubo interior debido a su alta velocidad de flujo. Mientras tanto, toda la transferencia de calor al tubo exterior causará un cambio significativo en su temperatura, ya que se mueve tan lentamente, lo cual es lo que queremos. El objetivo de un intercambiador de calor es lograr ese cambio significativo de temperatura.
La otra ecuación para la transferencia de calor lleva en cuenta ambos fluidos. La primera propiedad es el coeficiente de transferencia de calor (U), que es una medida de la facilidad con la que se transfiere calor entre los fluidos a través de lo que los separa. En segundo lugar, está el área (A) sobre la cual se realiza la transferencia de calor. Y, finalmente, está la diferencia de temperatura (Δt) entre los dos fluidos.
El coeficiente de transferencia de calor es, de hecho, el inverso de la resistencia térmica que discutimos la última vez, lo que significa que cuanto mayor sea el valor de U, menor es la resistencia, permitiendo una mayor transferencia de calor. Esta ecuación también te dice que hay más transferencia de calor cuando hay una mayor área de contacto entre los dos fluidos y que, sin importar cuál sea el coeficiente de transferencia de calor o cuánto contacto haya entre los fluidos, un mayor cambio de temperatura siempre involucrará más transferencia de calor.
Puedes utilizar estas dos formas diferentes de definir la transferencia de calor para cambiar tus condiciones de funcionamiento según sea necesario y obtener la transferencia de calor que necesitas en el diseño del intercambiador de calor. Puedes afectar la transferencia de calor a través del coeficiente de transferencia de calor y el área de contacto entre los fluidos, y mientras el intercambiador de calor esté en funcionamiento, puedes afectar su transferencia de calor mediante las diferencias de temperatura entre los fluidos y sus caudales másicos.
Problemas inherentes al diseño de tubos concéntricos
Si la diferencia de temperatura entre los fluidos es la fuerza impulsora, entonces el intercambiador de calor necesitará tener un área adecuada (A) para lograr una cantidad razonable de transferencia de calor. Hay dos formas de aumentar esa transferencia de calor: aumentar el valor de U o aumentar el valor del área. Puedes aumentar el coeficiente de transferencia de calor utilizando tubos más conductivos o más delgados, pero llegarás a un límite físico en algún momento.
Lo que te deja con una única manera de aumentar la transferencia de calor: aumentar el área de contacto entre los fluidos. Para un diseño de tubos concéntricos, la única forma de aumentar el área es mediante el radio o la longitud de los tubos, lo cual no es práctico. El intercambiador de calor ocupará más espacio, aumentará el costo de los materiales de construcción y el costo de funcionamiento de cualquier bomba que empuje el fluido a través del dispositivo.
Si solo usamos tubos concéntricos en nuestros diseños, necesitaríamos más espacio debajo de los capós de nuestros autos y nuestras máquinas de rayos X serían aún más grandes y pesadas. Por lo tanto, vale la pena considerar otros diseños de intercambiadores de calor, como el de tubos aletados y el de placas de intercambio de calor.
Un intercambiador de calor de tubos aletados usa aletas adicionales en un tubo para aumentar su superficie, lo que mejora su tasa de transferencia de calor. Hay dos tipos principales de diseños de tubos aletados: estructuras de aletas axiales y estructuras de aletas radiales.
Las aletas axiales se extienden a lo largo del tubo, son más adecuadas para dispositivos donde el flujo de fluido fuera del tubo es más lento y más viscoso, como el aceite, pero aún quieres distribuir una mayor cantidad de energía. Por otro lado, las estructuras de aletas radiales añaden discos al tubo y los espacian entre sí, generalmente en intervalos regulares. Este tipo de diseño de aletas es más adecuado para fluidos de movimiento más rápido, como el aire, que puede fluir alrededor del tubo.
Otro intercambiador de calor que vale la pena considerar es el de placas, que utiliza placas de metal para transferir calor entre fluidos. En este caso, el fluido más cálido fluye a través de un puerto y el más frío fluye a través de otro, generalmente en contracorriente.
Ambos fluidos están restringidos por sellos, por lo que solo pueden fluir en una dirección específica, serpentear en el intercambiador. El fluido entre cada juego de placas alterna con las placas, lo que proporciona una gran superficie para una alta tasa de transferencia de calor. Por lo tanto, los intercambiadores de calor de placas serían mejores que los tubos concéntricos para algo como una máquina de rayos X que produce mucho calor y que deseas eliminar.
Además de los intercambiadores de calor de tubos concéntricos, tubos aletados y placas, también existe el diseño de concha y tubo. Puedes encontrarlos prácticamente en cualquier lugar, desde grandes refinerías de petróleo hasta motores y transmisiones e incluso en piscinas. Como su nombre indica, un intercambiador de calor de concha y tubo está compuesto por una carcasa grande con un conjunto de tubos más pequeños en su interior.
Un fluido generalmente el más frío fluye a través de estos tubos, mientras que otro fluido fluye por fuera de ellos y a través de la carcasa. Si se deja este diseño como está, habría grandes bolsas de fluido estancado en las esquinas de la carcasa. Por ello, se añaden deflectores, que son aletas u paneles obstruidos en el interior de la carcasa, para guiar al fluido en la carcasa a través de un patrón laberíntico. Los deflectores no solo ayudan a aumentar la transferencia de calor promedio en todo el sistema, dirigiendo el flujo del fluido, sino que también aumentan la velocidad en la carcasa y promueven la turbulencia.
Entonces, entre los tubos concéntricos, los tubos aletados, las placas y los diseños de concha y tubo, tienes muchas opciones cuando necesitas transferir calor, lo que significa que no hay necesidad de prender fuego a una pizza, eso sería una tragedia.
Hoy aprendimos sobre los diferentes tipos de intercambiadores de calor y cómo se pueden usar para transferir calor. Comenzamos con los tubos concéntricos y las dos ecuaciones principales que nos pueden ayudar a definir la transferencia de calor en los intercambiadores de calor. Luego nos adentramos en los tubos aletados y encontramos las diferencias entre las aletas axiales y radiales. Finalmente, cubrimos los intercambiadores de calor de placas y estudiamos el diseño de intercambiador de calor más común: el de concha y tubo.
