Intercambiadores de Calor

Torres de enfriamiento y evaporadores.

1. INTRODUCCIN

Las torres de refrigeracin son sistemas mecnicos destinados a enfriar masas de agua en procesos que requieren una disipacin de calor.

El principio de enfriamiento de estos equipos se basa en la evaporacin, el equipo produce una nube de gotas de agua por pulverizacin o, por cada libre que se pone en contacto con una corriente de aire.

La evaporacin superficial de una pequea parte del agua inducida por el contacto con el aire, da lugar al enfriamiento del resto del agua que cae en la balsa a una temperatura inferior a la de pulverizacin.

Figura 1. Esquema de una torre como parte de un sistema de refrigeracin de un edificioEl agua se pulveriza directamente sobre un sistema de conductos en cuyo interior circula un refrigerante inicialmente en estado gaseoso y que por el enfriamiento del agua pasa a estado lquido. El refrigerante circula por un circuito totalmente independiente sin contacto con el agua.El uso ms habitual de estos equipos, asociado a los sistemas de refrigeracin son :

Aire acondicionado, produccin de fro (hotelera, alimentacin, laboratorios, etc.)

En el mbito industrial estos equipos se usan para el enfriamiento de cualquier parte de un proceso que genere calor y deba ser disipado.Procesos de molienda que generan calor por friccin, stock Pile, enfriamiento de reacciones exotrmicas, disipacin de calor residual en centrales de produccin de energa elctrica, etc.).Los condensadores evaporativos son equipos, por estructura y funcin, muy similares a las torres de refrigeracin.

Pero la principal diferencia estriba en el uso y modo de funcionamiento.

Los condensadores de gases en general, condensan butano, propano, butileno, pentano, CO2, vapor de agua, etc.

La condensacin de gases refrigerantes, condensa en los sistemas de acondicionamiento de aire y fro industrial.Condensacin en forma de gota y de pelcula.

Los dos mecanismos son distintos e independientes de la cantidad de vapor condensante por pie cuadrado de superficie.

Los coeficientes de transferencia de calor para la condensacin por gotas son de cuatro a ocho veces mayores que para la condensacin de pelcula. Debido a la resistencia de la pelcula de condensado al paso de calor a travs de ella.

El vapor de agua es el nico vapor puro conocido que se condensa en forma de gotaLa condensacin por gota tambin tiene lugar cuando varios materiales se condensan simultneamente como en una mezcla, y donde la mezcla de condensado no es miscible, como en el caso de hidrocarburos y vapor de agua.

El mecanismo puede ser inicialmente del tipo de pelcula, y cambiar luego a la condensacin en forma de gota, y un tiempo ms tarde invertir el mecanismo.

Es la lentitud con la que el calor de condensacin pasa a travs de esta pelcula lo que determina el coeficiente de condensacin.

Los coeficientes de condensacin se puede obtener del anlisis dimensional donde el coeficiente promedio h es una funcin de las propiedades de la pelcula de condensado, k, , g,, y L, t, y , esta ltima propiedad es el calor latente de vaporizacin.

La temperatura de condensacin en el condensador es la que determina la presin de operacin en la columna destiladora, ya que la temperatura de saturacin del vapor vara con su presin.El tamao del condensador depende:

De la diferencia entre la temperatura de condensacin y el rango de temperatura del agua de enfriamiento.

Si la temperatura de condensacin est muy cercana al rango de temperatura del agua de enfriamiento a presin atmosfrica, la presin de destilacin debe elevarse para permitir obtener un t ms alto.Nusselt deriv tericamente las correlaciones del mecanismo de condensacin en forma de pelcula, y los resultados que obtuvo estn en excelente concordancia con los experimentos. Siguiendo las siguientes suposiciones :

El calor desprendido por el vapor es nicamente calor latente.

El drenado de la pelcula de condensado es solamente por flujo laminar, y el calor se transfiere a travs de la pelcula por conduccin.

El grueso de la pelcula en cualquier punto es funcin de la velocidad media de flujo y de la cantidad de condensado que pasa por ese punto.La velocidad de las capas individuales de la pelcula es una funcin de la relacin entre las fuerzas de corte friccional y el peso de la pelcula.

La cantidad de condensado es proporcional a la cantidad de calor transferido que a su vez est relacionado al espesor de la pelcula y a la diferencia de temperatura entre el vapor y la superficie.

La pelcula de condensado es tan delgada que permite un gradiente lineal en la temperatura.Las propiedades fsicas del condensado se toman a la temperatura media de la pelcula.

Se supone que la superficie est relativamente lisa y limpia.

La temperatura en la superficie del slido es constante.

Se desprecia la curvatura de la pelcula.

Condensacin sobre una superficie verticalLa temperatura de la placa se mantiene a Tw, y la temperatura del vapor en el borde de la pelcula es la temperatura de saturacin Tg.

El espesor de la pelcula se representa por , y se elige el sistema de coordenadas con la direccin positiva de las x medida hacia abajo. Se supone que el esfuerzo viscoso del vapor sobre la pelcula es despreciable.

Se supone adems que hay una distribucin de temperaturas lineal entre las condiciones de la pared y del vapor.

El peso del elemento de fluido se equilibra con la fuerza debida al esfuerzo viscoso y la fuerza de flotabilidad debida al vapor desplazado.

El flujo msico de condensado a travs de una posicin x cualquiera de la pelcula viene dado entonces por:

El espesor de pelcula:

El coeficiente de transferencia de calor se escribe ahora,

Por lo cual,

Expresada en forma adimensional en funcin del nmero de Nusselt

Los flujos turbulentos originan flujos de calor mayores. Como en los problemas de flujo de conveccin forzada.

El criterio para determinar si el flujo es laminar o turbulento es el nmero de Reynolds, y para el sistema de condensacin ste se define como:

DH, = dimetro hidrulico, A = rea de flujo, P = permetro cortante, o mojado, V = velocidad media en la corriente

EJERCICIOSCONDENSACIN SOBRE UNA PLACA VERTICAL. Una placa vertical cuadrada, de 30 x 30 cm, se coloca en presencia de vapor de agua a presin atmosfrica. La temperatura de la placa es 98 C. Calcular la transferencia de calor y la masa de vapor de agua condensado por hora.

CONDENSACIN SOBRE UN HAZ DE TUBOS. Cien tubos de 1,27 cm (0,5 in) de dimetro estn dispuestos formando un cuadrado y en presencia de vapor de agua a presin atmosfrica. Calcular la masa de vapor de agua condensado, por unidad de longitud de los tubos, para una temperatura de la pared del tubo de 98C.