Operaciones unitarias - Transmisión de calor - Introducción

Naturaleza del flujo de calor. Cuando dos objetos que están a temperaturas
diferentes se ponen en contacto térmico, el calor fluye desde el objeto de temperatura
más elevada hacia el de temperatura más baja. El flujo neto se produce
siempre en el sentido de la temperatura decreciente. Los mecanismos por los que
fluye el calor son tres: conducción, convección y radiación.


Conducción. Si existe un gradiente de temperatura en una sustancia el calor
puede fluir sin que tenga lugar un movimiento observable de la materia. El flujo
de calor de este tipo recibe el nombre de conducción. En sólidos metálicos la
conducción del calor resulta del movimiento de los electrones no ligados y existe
una estrecha relación entre la conductividad térmica y la conductividad eléctrica.
En los sólidos que son malos conductores de la electricidad, y en la mayor parte
de los líquidos, la conducción del calor se debe al transporte de la cantidad de
movimiento de las moléculas individuales a lo largo del gradiente de temperatura.
En gases la conducción se produce por el movimiento al azar de las moléculas,
de forma que el calor «difunde» desde regiones más calientes hasta otras más
frías. El ejemplo más común de conducción es el flujo de calor en sólidos opacos,
tales como la pared de ladrillo de un horno o la pared metálica de un tubo.



Convección. Cuando una corriente o una partícula macroscópica de fluido cruza
una superficie específica, tal como el límite de un volumen de control, lleva
consigo una determinada cantidad de entalpía. Tal flujo de entalpía recibe el
nombre de flujo convectivo de calor o simplemente convección. Puesto que la
convección es un fenómeno macroscópico, solamente puede ocurrir cuando actúan
fuerzas sobre la partícula o la corriente de fluido y mantienen su movimiento
frente a las fuerzas de fricción. La convección está estrechamente relacionada
con la mecánica de fluidos. De hecho, desde el punto de vista termodinámico, la
convección no es considerada como un flujo de calor sino como una densidad de
flujo de entalpía. La identificación de la convección con el flujo de calor es una
cuestión de conveniencia, debido a que en la práctica es difícil separar la convección
de la conducción verdadera cuando ambas se engloban conjuntamente bajo
el nombre de convección. Ejemplos de convección son la transferencia de entalpía
por los remolinos del flujo turbulento y por la corriente de aire caliente que
circula a través y hacia fuera de un radiador ordinario.


Convección natural y forzada. Las fuerzas utilizadas para crear las corrientes de
convección en los Ruidos son de dos tipos. Si las corrientes son la consecuencia de
las fuerzas de flotación generadas por diferencias de densidad, que a su vez se
originan por gradientes de temperatura en la masa del fluido, la acción recibe el
nombre de convección natural. El flujo de aire a través de un radiador caliente es
un ejemplo de convección natural. Si las corrientes se ponen en movimiento por
la acción de un dispositivo mecánico, tal como una bomba o un agitador, el flujo
es independiente de los gradientes de velocidad y recibe el nombre de convección
forzada. El flujo de calor hacia un fluido que se bombea a través de una tubería
caliente es un ejemplo de convección forzada. Los dos tipos de fuerzas pueden ser
activas simultáneamente en el mismo fluido, teniendo lugar conjuntamente convección
natural y forzada.


Radiación. Radiación es la palabra que se utiliza para designar la transmisión
de energía a través del espacio por medio de ondas electromagnéticas. Si la
radiación pasa a través de un espacio vacío, no se transforma en calor ni en otra
forma de energía. Sin embargo, si en su camino encuentra material, la radiación
se transmitirá, reflejará o absorberá. Solamente la energía absorbida es la que
aparece como calor y esta transformación es cuantitativa. Por ejemplo, el cuarzo
fundido transmite prácticamente toda la radiación que incide sobre él; una
superficie opaca pulimentada o un espejo reflejan la mayor parte de la radiación
incidente; una superficie negra o mate absorbe la mayor parte de la radiación que
recibe y la energía absorbida es transformada cuantitativamente en calor.


Los gases monoatómicos y diatómicos son transparentes a la radiación térmica,
y es muy frecuente encontrarse con que el calor fluye a través de masas de
tales gases por radiación y por conducción-convección.


 Ejemplos son las pérdidas de calor, desde un radiador o una tubería no aislada que conduce vapor de agua,
hacia el aire ambiente de una habitación, así como la transmisión de calor en
hornos y otros aparatos que operan con gases a temperaturas elevadas. Los dos
mecanismos son mutuamente independientes y transcurren paralelamente, de tal
forma que un tipo de flujo de calor puede ser controlado o variado independientemente del otro. 


Conducción-convección y radiación pueden estudiarse separadamente
y sumar sus efectos separados cuando ambos son importantes. 
En términos muy generales, la radiación se hace importante a temperaturas elevadas
y es independiente de las circunstancias del flujo del fluido. La conducción - convección
es sensible a las condiciones de flujo y es relativamente afectada por el
nivel de temperatura.

Instalaciones frigoríficas - Cámara Frigorífica

Elementos: 

• Ciclos frigoríficos  
• Fluidos refrigerantes 
• Cámara frigorífica
• Equipos frigoríficos 

•      Cámara frigorífica

Recinto refrigerado en el cual se extrae el calor

•

Proyecto de cámara frigorífica, tener en cuenta:

• Dimensionamiento 
• Diseño constructivo 
• Cálculo de cargas térmicas 

•        Dimensionamiento

Depende de:

Tipo y cantidad de producto

Forma de almacenaje

Naturaleza del proceso térmico

•Diseño constructivo

   

Lo más importante: 

Selección de la aislación

Conductividad térmica

Densidad

Higroscopicidad

Olor

Combustibilidad

Resistencia mecánica

Costo

Cálculo de cargas térmicas:

Necesitamos contar con los siguientes datos:

• Producto: Tipo y propiedades (calor específico, contenido de humedad, temperatura de congelación)
• Movimiento temporal de producto
• Condiciones climáticas del lugar
• Condiciones climáticas de la cámara
• Orientación geográfica de la cámara
• Planos de dimensionamiento y diseño de aislación de la cámara  

Carga térmica por transmisión Q1

+ Carga térmica por producto Q2

+ Carga térmica por infiltraciones Q3 

+ Carga térmica interior Q4

+ Carga térmica debida al equipo Q5  

=

Carga térmica total QT

Carga por transmisión:

Ingreso de calor sensible por techo, piso y paredes :

  Q1 = U . A . (Text - Tcamara)   [W]

Temperatura exterior Text :

Text = 0,4 Tmm + 0,6 Tmax

   Tmm = temperatura media mensual mes más cálido

   Tmax = temperatura máxima diaria mes más cálido

Corrección por radiación

Text corregida = Text + DTrad

Carga por producto:

1. Calor retirado del producto para enfriar y/o congelar

2. Calor generado por el producto almacenado

1. Calor retirado del producto para enfriar y/o congelar  [W] :

2. Calor generado por el producto almacenado (calor vital) :

Carga por infiltraciones:

• Renovación del aire
• Remoción de calor sensible y latente

    

Q3 = Q3 sensible   + Q3 latente

Renovación del aire

Remoción de calor sensible :

     Q3 sensible = a .VC . caire . r . (Text - Tcamara)

a     =  n° de renovaciones de aire / hora

VC  = volumen de la cámara

caire = calor específico del aire

r     = densidad del aire

Remoción de calor latente :

   Q3 latente =  a .VC . r . l . (xext - xcamara)

a    =  n° de renovaciones de aire / hora

VC  = volumen de la cámara

r    = densidad del aire

 l   = calor de condensación del aire

Carga interior:

1. Equipos eléctricos

    (ventiladores, iluminación)

  2. Personas

Q4 = Q4 elem.elect  + Q4 personas 

Equipos eléctricos

(ventiladores, iluminación)

  Q4 elem.elect = S (Nelem. Electr. . i )

 Nelem. Electr. = potencia del elemento [W]

 i  =  coeficiente de utilización [h/24h] 

Personas :

Q4 personas = P . N . S

P = coeficiente personal [W]

N = n° de personas

S  = tiempo de permanencia [h/24h]

Carga debida al equipo:

    Q5     [W]

Carga debida a los forzadores

Carga debida a los descongelamientos

Carga debida a la humidificación

Carga total:

Cálculo a la carga máxima

Cálculo con carga hora a hora

Qt = Q1  + Q2 + Q3 + Q4 + Q5     [W]

            

QT = Q1t. . C [W]

 C = coeficiente de seguridad

Consumo de refrigerante:

Efecto Refrigerante Neto (ERN) = h1 - h4    [kJ/kg]

           

QT = Grefrig . ERN [W]

Potencia frigorífica = ERN . Grefrig    [W]

Tonelada de refrigeración (TR) = Potencia frigorífica requerida para producir 1 Ton de hielo partiendo de agua líquida a 0°C

 1 TR = 80000 kcal/día = 3330 kcal/h         

Muchos de los datos se obtienen de tablas. Cualquier consulta ericapitarohoffman@gmail.com