Conceptos Clave en Termodinámica y Transferencia de Calor: Temperatura, Intercambiadores y Calderas

Conceptos Clave en Termodinámica y Transferencia de Calor

1. Temperatura y Calor

• Temperatura: Es la medida de la energía molecular media.
• Calor: Es la energía total del movimiento molecular de una sustancia, la cual depende de la velocidad de las partículas, su número, tamaño y tipo. Se transmite de una materia caliente a otra más fría en un proceso dinámico, y su velocidad de transmisión depende del Δt (diferencia de temperatura) existente entre ellas, siendo mayor cuanto más grande sea Δt. Pasa atravesando un medio, el cual ofrece resistencia al flujo de calor.

2. Intercambiadores de Calor: Tipos y Funcionamiento

Un intercambiador de calor es un aparato que facilita el intercambio de calor entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes, evitando que se mezclen entre sí.

Tipos de Intercambiadores de Calor

• Flujo Paralelo: El flujo másico más caliente intercambia calor con el flujo másico más frío a la entrada del intercambiador, donde la transferencia de calor es mayor a la entrada que a la salida. Esto se debe a que, a lo largo del intercambiador, esta diferencia disminuye con rapidez y las temperaturas se aproximan asintóticamente y con gran lentitud. La temperatura final del fluido frío nunca será igual a la temperatura de salida del fluido más caliente.
• Flujo Contracorriente: La mayor temperatura del fluido caliente intercambia calor con la parte más caliente del fluido frío, y la más fría del fluido caliente con la más fría del fluido frío. Existe una diferencia de temperatura casi constante a lo largo del intercambiador de calor. La temperatura final del fluido frío puede superar la temperatura de salida del flujo caliente, ya que existe una temperatura favorable a todo lo largo del intercambiador.

3. Funcionamiento de Calderas y Precauciones en su Operación

Las calderas son generadores de vapor. Son recipientes cerrados que producen vapor de agua a mayor presión que la atmosférica a partir del calor absorbido desde el hogar de la caldera, donde se quema el combustible.

Partes de una Caldera

• Hogar o fogón: Aquí se calienta la caldera. Contiene la parrilla, el cenicero y la cámara de combustible.
• Caldera propiamente tal: Donde se contiene el fluido a calentar.
• Conductor de humo: Por donde pasan los productos de la combustión.

Precauciones en la Operación de Calderas

1. Nivel del agua: Si el nivel del agua de la caldera es muy alto, puede ocasionar arrastre de agua por el vapor. Si es muy bajo, puede recalentar peligrosamente la caldera, aumentando la temperatura al exponerse a llamas o gases, lo que disminuye la resistencia mecánica. Un calentamiento excesivo puede provocar una explosión.
2. Presión de vapor: Regulada por manómetros.
3. Temperatura de vapor.
4. Tiraje: Cantidad de aire y gases que circulan por la caldera (posible ensuciamiento).
5. Gases de combustión: Para determinar la eficiencia con la cual se conduce al fuego (% CO2 y O2).

4. Destilación Fraccionada y Determinación del Número de Platos Teóricos

La destilación fraccionada es un proceso en donde se llevan a cabo una serie de etapas de vaporización instantánea, donde los productos gaseosos y líquidos de cada etapa fluyen en contracorriente. El líquido fluye a la etapa inferior y el vapor a la superior.

Cálculo del Número de Platos Teóricos

El número de platos teóricos se puede determinar por el método de McCabe-Thiele. La eficacia del plato se calcula como:

Eficacia del plato = Número de platos ideales / Número de platos reales.

5. Ensuciamiento en Intercambiadores de Calor

El ensuciamiento en un intercambiador de calor es la acumulación de depósitos sobre las superficies de transferencia de calor.

Efectos del Ensuciamiento

• Aumenta la resistencia térmica.
• Disminuye el coeficiente de transferencia de calor.