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Laboratorio de transferencia de calor
Densidad: alude a la relación que existe entre la masa de una sustancia (o de un cuerpo) y su volumen. Se trata de una propiedad intrínseca de la materia, ya que no depende de la cantidad de sustancia que se considere. La densidad, propiedad que habitualmente se expresa en kilogramo por metro cúbico (kg/m^3 ) o gramo por centímetro cúbico (g/cm^3 ), varía en mayor o menor medida en función de la presión y la temperatura, y también con los cambios de estado. Debido a la poca cohesión entre sus partículas, por lo general, los gases tienen menor densidad que los líquidos y los líquidos tienen menor densidad que los sólidos. Densidad relativa: es una comparación de la densidad de una sustancia con la densidad de otra que se toma como referencia. Ambas densidades se expresan en las mismas unidades y en iguales condiciones de temperatura y presión. La densidad relativa es adimensional (sin unidades), ya que queda definida como el cociente de dos densidades. La densidad relativa está definida como el cociente entre la densidad que primordialmente es de una sustancia y la de otra sustancia tomada como referencia. Densidad absoluta: la densidad absoluta o densidad normal, también llamada densidad real, expresa la masa por unidad de volumen. Cuando no se hace ninguna aclaración al respecto, el termino densidad suele entenderse en el sentido de densidad absoluta. Viscosidad: propiedad física característica de todos los fluidos, la cual emerge de las colisiones entre las partículas del fluido que se mueven a diferentes velocidades, provocando una resistencia a su movimiento según la Teoría cinética. Cuando un fluido se mueve forzado por un tubo liso, las partículas que componen el fluido se mueven más rápido cerca del eje longitudinal del tubo, y más lentas cerca de las paredes. Por lo tanto, es necesario que existan unos tensores cortantes para sobrepasar la resistencia debida a la fricción entre las capas del líquido y la condición de no deslizamiento en el borde de la superficie, y que el fluido se siga moviendo por el tubo de rugosidad mínima. En caso contrario, no existiría el movimiento. Un fluido que no tiene viscosidad es un superfluidos. Ocurre que en ciertas condiciones el fluido no posee la resistencia a fluir o es muy baja y el modelo de viscosidad nula es una aproximación que se verifica experimentalmente. La viscosidad de algunos fluidos se mide experimentalmente con viscosímetros y reómetros. Viscosidad cinemática: medida de la resistencia interna de un fluido a fluir bajo fuerzas gravitacionales. Se determina midiendo el tiempo en segundos requerido para que un volumen fijo de fluido fluya por gravedad una distancia conocida a través de un capilar dentro de un viscosímetro calibrado a una temperatura estrechamente controlada. Viscosidad dinámica: también llamada viscosidad absoluta, es la resistencia interna entre las moléculas de un fluido en movimiento y determina las fuerzas que lo mueven y deforman. Presión: magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una línea. En el Sistema Internacional de Unidades la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal (Pa), que es equivalente a una fuerza total de un newton (N) actuando uniformemente sobre un área de un metro cuadrado (m²). En el sistema anglosajón la presión se mide en libra por pulgada cuadrada (pound per square inch o psi), que es equivalente a una fuerza total de una libra actuando sobre un área de una pulgada cuadrada.
Calor latente (λ):): Es el calor requerido por una sustancia para cambiar de fase, sin alterar su temperatura. Unidades: Kcal/kg, BTU/lb Calor latente de vaporización (λ):V): Cantidad de calor necesaria para cambiar la sustancia de LÍQUIDO a VAPOR a la temperatura de ebullición. Unidades: Cal/g, Kcal/Kg, BTU/lb Calor latente de condensación (λ):C): Cantidad de calor cedido por un gramo de vapor para transformarse en líquido a la temperatura de ebullición y presión atmosférica. Unidades: cal/g, Kcal/Kg, BTU/lb Calor de fusión (λ):f): Cantidad de calor por unidad de masa para cambiar de SÓLIDO a LÍQUIDO a la temperatura de fusión. Unidades: cal/g, Kcal/Kg, BTU/lb. Calor sensible (Qs): Es el calor que recibe o cede un cuerpo y hace que variase su temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto no afecta su estado. Unidades: Cal/g, Kcal/Kg, BTU/lb Flujo de calor (q): Es una forma de transferencia de energía que se lleva a cabo únicamente como una consecuencia de una diferencia de temperaturas. La energía interna de una sustancia es una función de su estado y por lo general aumenta su temperatura. Unidades: Kcal/Kgm2; BTU/lbpie Conductividad térmica (k): Es la velocidad de la transferencia de calor atreves de un espesor unitario del material por unidad de área y por unidad de diferencia de temperatura. Es una medida de la capacidad del material y/o sustancia para conducir calor. Unidades: Kcal/hm2°C/m; BTU/hpie2°F/pie Coeficiente de película, coeficiente de convección o coeficiente de transmisión superficial : representado habitualmente como h , cuantifica la influencia de las propiedades del fluido, de la superficie y del flujo cuando se produce transferencia de calor por convección. La transferencia de calor por convección se modela con la Ley del enfriamiento de Newton. Coeficiente global de transferencia de calor (U): se define como la intensidad total de transferencia de calor a través de un material. El factor “U” como se le denomina comúnmente, es el coeficiente de transferencia de calor resultante después de tener en cuenta la conductividad térmica y la conductancia de la capa superficial, sus unidades son: (SI) watts/ hr x m2 de área x diferencia de temperatura en ºC o (Sist. métrico) Kcal. / hr. x m2 de área x diferencia de temperatura en ºC o (Sist. inglés) BTU/ hr x pie2 de área x diferencia de temperatura en ºF. Normalmente se aplica a estructuras compuestas, tales como paredes, techos y tejados. Para calcular el factor “U”, se encuentra primero la resistencia total y después su recíproco. Para conocer “U” debemos de saber con qué materiales se va a construir, su espesor, la conductancia de estos, la velocidad del viento exterior y el movimiento del aire interior. Gasto masico (Gm): La cantidad de masa que pasa en una sección transversal por unidad de tiempo. Unidades: Kg/hr m Gasto volumétrico (Gv): Cantidad de volumen de un fluido que pasa en un área transversal por unidad de tiempo. Unidades: m^3 /hr Cedula: se representa con un número que define el diámetro interno, dimensiones y tolerancia de una tubería. Es la forma que define el espesor de las paredes de una tubería y usualmente se identifica con la letra C. La cédula es el indicador que nos permitirá seleccionar muy bien nuestra tubería, una vez que conozcamos los requerimientos de la instalación, el uso, el elemento que va a transportar, la presión, el ambiente y las amenazas a las que va a estar expuesta. Entre más grande es la cédula, más gruesa es la
pared del tubo, las más comunes son las cédulas 40 y 80 que se utilizan para conducir agua y en condiciones donde la presión es mayor, respectivamente. Diámetro nominal: indica el diámetro interior de los elementos de un sistema de canalización. La indicación del diámetro nominal se hace siguiendo la norma EN ISO 6708, usando la abreviatura DN seguida de un número adimensional, que se corresponde aproximadamente al diámetro interno en mm del tubo. El diámetro nominal es esencial a la hora de realizar los cálculos hidráulicos, ya que permite determinar a qué velocidad podrá pasar el fluido por la tubería. Diámetro exterior: Es el diámetro de la circunferencia que limita la parte exterior del engranaje. Diámetro interior: Es el diámetro de la circunferencia que es referida a la parte interna de la tubería por la cual el fluido hace su recorrido. Espesor de tubería (e): se refiere a la medida establecida en cuanto a la distancia que existe entre los diámetros interior y exterior de cada tubería, esta medida depende tanto del material del que se trate, como de cedula que se pueda especificar dependiendo del fluido que se transporte. Diferencia de temperatura (∆T): Es la fuerza que impulsa a la transferencia de calor, se refiere a las diferencias de temperatura de un fluido o de un sólido desde la entrada a la salida del proceso, sus unidades son las de la temperatura, °C, °F, K, R. Gc: Una precaución que debe tomarse en el manejo de sistemas de unidades es la de no confundir la constante gravitacional, gc, con la aceleración de la gravedad, g, ya que gc es un factor de conversión, igual a uno, y sus unidades se cancelan. La aceleración de la gravedad tiene dimensiones y no es una constante. Número de Reynolds (Re): es un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos, diseño de reactores y fenómenos de transporte para caracterizar el movimiento de un fluido. Se define como la relación entre las fuerzas inerciales (o convectivas, dependiendo del autor) y las fuerzas viscosas presentes en un fluido. Este relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo en una expresión adimensional, que interviene en numerosos problemas de dinámica de fluidos. Dicho número o combinación adimensional aparece en muchos casos relacionado con el hecho de que el flujo pueda considerarse laminar (número de Reynolds pequeño) o turbulento (número de Reynolds grande). Flujo turbulento: se refiere al movimiento de un fluido que se da en forma caótica, en el que las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando remolinos aperiódicos lo que ocurre en un gran cantidad de configuraciones como ser canales, tuberías, reactores sean bioquímicos, físicos o nuclear. Debido a esto, la trayectoria de una partícula se puede predecir hasta una cierta escala, a partir de la cual la trayectoria de esta es impredecible, más precisamente caótica. Esta escala es más bien ficticia ya que corresponde a un estado supuesto de la materia al que definimos como estado promedio o de flujo estacionario para flujo turbulento. Flujo o corriente laminar: es el movimiento de un fluido cuando este es ordenado, estratificado o suave. En un flujo laminar, el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente. En flujos laminares, el mecanismo de transporte lateral es exclusivamente molecular. El flujo laminar es típico de fluidos a velocidades bajas o viscosidades altas, mientras que flujos de fluidos de viscosidad baja, velocidad alta o grandes caudales suelen ser turbulentos.
Camisa: se denomina chaqueta al doble fondo o encamisado de un recipiente. El propósito de este equipo generalmente es calentar el contenido de dicho recipiente. Son bastante menos eficientes que los serpentines, tienen mayor costo inicial y resultan bastante difíciles de limpiar mecánicamente porque el acceso al interior de la camisa es complicado. La camisa en un recipiente que provee eficiencia y calidad de producto. Tipos más convencional: ojuelos y la de tubo de media caña. Aplacadas en recipientes de medio volumen y alta presión interna. Asegura la transferencia de calor máxima del recipiente. Son los más utilizados para lotes con diferencia de temperatura de calentamiento o enfriamiento, no es constante. Serpentín: Este tipo de intercambiadores son fabricados con vidrio anticorrosivo de borosilicato 3.3 resistente a alta corrosión. Las baterías del serpentín son soldadas a la carcasa para así evitar la separación de las piezas y del medio de calentamiento ofreciendo una superficie suave libre de metal. El ensamble vertical permite al aparato drenarse, y gracias a esto, es perfecto para procesos que requieran un intercambio constante de productos o para fines farmacéuticos, entre otros. Otra ventaja es que no es necesario aislar al intercambiador de calor cuando se trabaje con un amplio rango temperaturas del medio de calentamiento, lo que evita temperaturas inadmisibles de las paredes o de condensado. El equipo se utiliza generalmente para la transmisión de calor entre fluidos, mayormente utilizados para la condensación y el calentamiento o enfriamiento de líquidos. CONDENSADORES Condensador vertical: Los condensadores verticales son excelentes para usarse como condensadores-sub-enfriadores. Por otro lado, durante la condensación puede formarse sobre la pared del tubo una película de condensado. El vapor que se condensa posteriormente lo hace sobre esta película no sobre la pared del tubo directamente, efectuándose la transferencia de calor a través de dicha película. Condensador horizontal: Cuando un vapor puro saturado se pone en contacto con una superficie fría, tal como la pared de un tubo, se condensa y puede formar gotas en la superficie del tubo. Si las gotas inicialmente formadas no mojan la superficie, abandonarán el tubo al aumentar de tamaño, dejando nuevamente expuesta la superficie de condensación. El vapor de agua es el único vapor puro, obtenido condensado en forma de gota. Se ha demostrado que hay algunos materiales que hacen las superficies “no mojables”, por tanto, promueven la condensación en gotas, pero sólo aquellos que se unen firmemente a la superficie son de algún uso práctico.
Aletados: Se llama superficie extendida al acoplamiento de piezas metálicas o aletas sobre la superficie ordinaria de transferencia de calor en equipos de intercambio térmico, este acoplamiento aumenta el área disponible para la transferencia de calor, lo que representa un incremento en la cantidad de calor transferido con respecto de un intercambiador, sin este tipo de acoplamiento, esto es evidente que en equipos que trabajan con fluidos con bajo coeficiente de película, mientras que para equipos que manejan fluidos con coeficientes de película relativamente altos el incremento<< en la cantidad de calor transferido será bajo en comparación con equipos sin extensión de superficie. Son tubos que se les ha aumentado el área de transferencia con aletas radiales o longitudinales, esto con el propósito de aumentar la superficie extendida y mejorar sustancialmente su capacidad para transferir calor, los tubos aletados transfieren calor del fluido más caliente al más frio. La tubería aletada tiene en general de 9 a 10 veces mejor eficiencia que un tubo liso.
