Intercambiadores de Calor

Definición

Un intercambiador de calor es un equipo utilizado para enfriar un fluido que está más caliente de lo deseado, transfiriendo este calor a otro fluido que está frío y necesita ser calentado. La transferencia de calor se realiza a través de una pared metálica o de un tubo que separa ambos fluidos. Son usados para recuperar calor entre dos corrientes en un proceso.

Usos

Entre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores de calor se encuentran las siguientes:

• Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor temperatura.
• Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura.
• Llevar al punto de ebullición a un fluido mediante un fluido con mayor temperatura.
• Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frío.
• Llevar al punto de ebullición a un fluido mientras se condensa un fluido gaseoso con mayor temperatura.

Descripción del Equipo y Clasificación

Un fluido transfiere calor por convección a una pared sólida, el calor atraviesa esta por conducción y por último el otro fluido recibe la transferencia por convección.

Los tipos más usuales son:

• Intercambiadores de doble tubo.
• Intercambiadores de carcasa y tubos.
• Intercambiadores compactos.

Intercambiadores de calor según su construcción

Intercambiadores de Carcasa y Tubo

Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado carcaza. El flujo de fluido dentro de los tubos se le denomina comúnmente flujo interno y aquel que fluye en el interior del contenedor como fluido de carcaza o fluido externo. En los extremos de los tubos, el fluido interno es separado del fluido externo de la carcaza por la(s) placa(s) del tubo. Los tubos se sujetan o se sueldan a una placa para proporcionar un sello adecuado. En sistemas donde los dos fluidos presentan una gran diferencia entre sus presiones, el líquido con mayor presión se hace circular típicamente a través de los tubos y el líquido con una presión más baja se circula del lado de la carcasa.

Intercambiadores de tipo Placa

Llamados también intercambiadores compactos. Consiste de placas en lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y frío. Los líquidos calientes y fríos se alternan entre cada una de las placas y los bafles dirigen el flujo del líquido entre las placas. Ya que cada una de las placas tiene un área superficial muy grande, las placas proveen un área extremadamente grande de transferencia de térmica a cada uno de los líquidos.

Intercambiadores de Tubería Doble

Consiste en un tubo pequeño que está dentro de otro tubo mayor, circulando los fluidos en el interior del pequeño y entre ambos. Estos intercambiadores se utilizan cuando los requisitos de área de transferencia son pequeños.

Flujo Paralelo

Existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de la carcaza ambos fluyen en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura significativa. Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, la temperatura de los fluidos se aproximan la una a la otra, es decir que uno disminuye su temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos.

Contraflujo

Se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos. Ya que el fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se aproximará a la temperatura del fluido de entrada.

Intercambiadores de un solo paso (o paso simple) y de múltiple pasos

• Los intercambiadores de un solo paso tienen fluidos que transfieren calor de uno a otro una sola vez.
• Los intercambiadores de múltiple paso tienen fluidos que transfieren calor de uno a otro más de una vez a través del uso de tubos en forma de «U» y el uso de bafles.

Aplicación

Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas y reciben diferentes nombres:

• Intercambiador de Calor: Realiza la función doble de calentar y enfriar dos fluidos.
• Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores. Transferencia de calor por ebullición y condensación.
• Enfriador: Enfría un fluido por medio de agua.
• Calentador: Aplica calor sensible a un fluido.
• Rehervidor: Conectado a la base de una torre fraccionadora proporciona el calor de reebuliciión que se necesita para la destilación.
• Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del líquido.

Compresores

Definición

Un compresor es una máquina que eleva la presión de un gas, un vapor o una mezcla de gases y vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la substancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir. La presión del fluido se eleva reduciendo el volumen específico del mismo durante su paso a través del compresor.

Clasificación

Al clasificarse según el indicio constructivo los compresores volumétricos se subdividen en los de émbolo y de motor y los de paletas en centrífugos y axiales. Es posible la división de los compresores en grupos de acuerdo con el género de gas que se desplaza, del tipo de transmisión y de la destinación del compresor. Estos al igual que las bombas mencionadas anteriormente pueden clasificarse en dos grupos:

1. Compresores de desplazamiento positivo
2. Compresores de desplazamiento no positivo

Compresores de Desplazamiento Positivo

Compresores Alternativos o de Émbolo

El compresor de émbolo, de vaivén o de movimiento alternativo, es una máquina de desplazamiento positivo que aumenta la presión de un volumen determinado de gas mediante la reducción de su volumen inicial. La compresión se verifica por el movimiento de vaivén de un émbolo encerrado en un cilindro. Los compresores alternativos, pueden ser del tipo lubricado o sin lubricar.

• Compresor de émbolo oscilante: Es apropiado para comprimir a baja, media o alta presión.
• Compresor de membrana: Una membrana separa el émbolo de la cámara de trabajo; el aire no entra en contacto con las piezas móviles. Por tanto, en todo caso, el aire comprimido estará exento de aceite.
• Compresor de émbolo rotativo: Consiste en un émbolo que está animado de un movimiento rotatorio.

Compresores Rotatorios

Se denominan compresores rotatorios a aquellos grupos que producen aire comprimido por un sistema rotatorio y continuo, es decir, que empujan el aire desde la aspiración hacia la salida, comprimiéndolo.

Compresores de Desplazamiento No Positivo

El principio de funcionamiento de un compresor centrífugo es que su diferencial principal es que el aire o el gas manejado en un compresor es compresible. Los compresores centrífugos pueden desarrollar una presión en su interior, que depende de la naturaleza y las condiciones del gas que manejan y es virtualmente independiente de la carga del procesamiento.

• Compresor Axial: El compresor axial se desarrolló para utilizarse con turbinas de gas y posee diversas ventajas para servicios en motores de reacción de la aviación. La corriente de aire fluye en dirección axial, a través de una serie de paletas giratorios de un motor y de los fijos de un estator, que están concéntricos respecto al eje de rotación.

Bombas

Definición

Toda máquina que realiza trabajo con la finalidad de mantener un fluido en movimiento o provocar el desplazamiento o el flujo del mismo se podría ajustar al nombre de bomba. El efecto conseguido por la mayoría de los dispositivos de bombeo es el de aumentar la presión del fluido, si bien algunos de ellos comunican al fluido un aumento de su energía cinética o una elevación de su nivel geodésico.

Una bomba es una máquina que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía cinética del fluido que mueve. En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud.

Bombas de desplazamiento no positivo

Estas bombas son empleadas generalmente para el trasiego de fluidos, la energía cedida al fluido es cinética y funciona generalmente mediante fuerza centrífuga. Una bomba de desplazamiento no positivo, también llamada hidrodinámica no dispone de sistemas de estanqueidad entre los orificios de entrada y salida; por ello produce un caudal que variará en función de la contrapresión que encuentre el fluido a su salida (Bomba centrífuga).

Bombas de desplazamiento positivo

Las bombas hidrostáticas de desplazamiento positivo son los elementos destinados a transformar la energía mecánica en hidráulica. Estas bombas son aquellas que suministran la misma cantidad de liquido en cada ciclo o revolución del elemento de bombeo, independiente de la presión que encuentre el liquido a su salida.

Clasificación de las Bombas

• Dinámicas, en las cuales se añade energía continuamente, para incrementar las velocidades de los fluidos dentro de la máquina a valores mayores de los que existen en la descarga, de manera que la subsecuente reducción en velocidad dentro, o más allá de la bomba, produce un incremento en la presión. Las bombas dinámicas pueden, a su vez, subdividirse en otras variedades de bombas centrífugas y de otros efectos especiales.
• De Desplazamiento, en las cuales se agrega energía periódicamente mediante la aplicación de fuerza a uno o más límites móviles de un número deseado de volúmenes que contienen un fluido, lo que resulta en un incremento directo en presión hasta el valor requerido para desplazar el fluido a través de válvulas o aberturas en la línea de descarga. Las bombas de desplazamiento se dividen esencialmente en los tipos reciprocantes y rotatorios, dependiendo de la naturaleza del movimiento de los miembros que producen la presión.

Bombas Centrífugas

Las bombas centrífugas prevén su nombre al hecho de que elevar el líquido por la acción de la fuerza centrífuga, que la imprime un rotor, colocado en su interior, el cual es accionado por un motor eléctrico. Una centrífuga, consta de un rotor de pocos a la vez fijos, el cual gira dentro de la caja envolvente, generalmente de forma espiral. El líquido proveniente de la cañería en que la por el centro del rotor, al girar bruscamente a la masa líquida una fuerza centrífuga, que lo hace salida que los canales situados entre los álabes, y la envoltura de la caja donde progresivamente la a energía cinética de la corriente líquida se transforma en energía potencial de presión.

Funcionamiento de las Bombas Centrífugas

Las bombas centrífugas, también denominadas rotativas, tienen un motor de paletas giratorio sumergido en el liquido. El liquido entra en la bomba cerca del eje del motor, y las paletas lo arrastran hacia sus extremos a alta presión. El motor también proporciona al liquido una velocidad relativamente alta, que puede transformarse en presión en una parte estacionaria de la bomba, conocida como difusor. En bombas de alta presión pueden emplearse varios motores en serie, y los difusores posteriores a cada motor pueden contener aletas de guía para reducir poco a poco la velocidad del liquido. En las bombas de baja presión, el difusor suele ser un canal en espiral cuya superficie transversal aumente de forma gradual para reducir la velocidad. El motor debe ser cebado antes de empezar a funcionar, es decir, debe estar rodeado de liquido cuando se arranca la bomba.

Bombas Reciprocantes

Las bombas reciprocantes son unidades de desplazamiento positivo descargan una cantidad definida de liquido durante el movimiento del pistón o émbolo a través de la distancia de carrera. Sin embargo, no todo el líquido llega necesariamente al tubo de descarga debido a escapes o arreglo de pasos de alivio que puedan evitarlo. Despreciando éstos, el volumen del líquido desplazado en una carrera del pistón o émbolo es igual al producto del área del pistón por la longitud de la carrera.

Funcionamiento de las Bombas Reciprocante

El funcionamiento de una Bomba Reciprocante depende del llenado y vaciado sucesivo de receptáculos de volumen fijo, para lo cual cierta cantidad de agua es obligada a entrar al cuerpo de la bomba en donde queda encerrada.

Las bombas de acción directa horizontales simples y duplex, han sido por mucho tiempo muy usadas para diferentes servicios, incluyendo alimentación de calderas en presiones de bajas a medianas, manejo de lodos, bombeo de aceite y agua, etc. Se caracterizan por la facilidad de ajuste de columna, velocidad y capacidad. Al igual que todas las bombas alternativas, las unidades de acción directa tienen un flujo de descarga pulsante.

Las bombas de potencia se encuentran particularmente bien adaptadas para servicios de alta presión y tienen algunos usos en la alimentación de calderas, bombeo en líneas de tuberías, procesos de obtención de petróleos y aplicaciones similares.

Las bombas de baja potencia se usan para controlar el flujo de pequeñas cantidades de liquido para alimentar calderas, equipos de procesos y unidades similares. Como tales ocupan un lugar muy importante en muchas operaciones industriales en todo tipo de plantas.

Las bombas de diafragma se usa para gastos elevados de líquidos, ya sea claros o conteniendo sólidos. También son apropiados para pulpas gruesas, drenajes, lodos, soluciones ácidas y alcalinas, así como mezclas de agua con sólidos que pueden ocasionar erosión.

Bombas Rotatorias

Estas bombas, como ya antes se dijo, no tienen válvulas ni partes reciprocantes; el movimiento del líquido es efectuado por la acción combinada de dos elementos giratorios semejantes a las ruedas dentadas. En la bomba Stone-Paramor, el elemento giratorio que es acoplado directamente a la flecha motora, es un piñón de cuatro dientes que engrana con una corona dentada de seis dientes.

Funcionamiento de Bombas Rotatorias

Las bombas rotatorias, que generalmente son unidades de desplazamiento positivo, consisten de una caja fija que contiene engranajes, aspas, pistones, levas, segmentos, tornillos, etc., que operan con un claro mínimo. En lugar de «arrojar» el liquido, como en una bomba centrífuga, una bomba rotatoria lo atrapa, lo empuja contra la caja fija. La bomba rotatoria descarga un flujo continuo. Aunque generalmente se les considera como bombas para líquidos viscosos, las bombas rotatorias no se limitan a este servicio solo, pueden manejar casi cualquier liquido que este libre de sólidos abrasivos.

Aeroenfriadores

Definición

Los aeroenfriadores son intercambiadores de calor compactos modulares de agua-aire que permiten enfriar agua hasta una temperatura de +5 °C por encima de la ambiente. Los aeroenfriadores enfrían fluidos en circuito cerrado por flujo de aire ambiente y por evaporación de agua. A temperaturas ambiente bajas, el calor es transferido por convección (enfriamiento seco).

Descripción del Equipo y su Funcionamiento

Con temperaturas ambiente altas la superficie aletada del intercambiador de calor (serpentín) se humedece con un circuito secundario de agua. El calor, entonces es transferido una parte por convección y otra por evaporación, en una forma latente.

En temperaturas ambiente altas, la mayoría del calor latente es transferido por evaporación. Conforme desciende la temperatura ambiente la transferencia de calor por evaporación decrece y la transferencia de calor por convección se incrementa hasta que la unidad trabaja sólo de manera seca.

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