y el agua de la superficie que se encuentra más fría y tiene mayor densidad, desciende, dando lugar a un proceso cíclico. Convección forzada: si se agrega al recipiente un agitador eléctrico que aumente el movimiento del agua favorecerá más la transferencia de calor, y se llevará a cabo antes.
Radiación
La radiación térmica es la energía emitida en forma de ondas electromagnéticas por la superficie de un cuerpo que ha sido excitado térmicamente.
Esta radiación térmica se emite en todas las direcciones, se propaga con la velocidad de la luz y si choca contra otro cuerpo, puede ser reflejada, transmitida o absorbida por este. No exige medio de transporte propagándose incluso a través del vacío.
Ejemplo
El sol transmite su calor por radiación, ya que las ondas electromagnéticas se propagan en el aire e incluso en el vacío.
Todos los cuerpos radian energía en función de su temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la energía de la radiación que emiten.
Aplicaciones de la transferencia de calor en la planta química
En las plantas químicas el calor se transfiere por medio de una variedad de equipos diseñados con el propósito de analizar la transferencia de calor. Entre estos se encuentran los intercambiadores de calor, las calderas, los condensadores, los hornos, los calentadores de resistencia eléctrica o los secadores de calor radiante. En este apartado se va a estudiar el intercambiador de calor que es el equipo que presenta mayor interés en relación con la transferencia de calor por su uso habitual en cualquier planta química.
Intercambiadores de calor
La transferencia de calor entre dos fluido casi siempre se produce en los intercambiadores de calor. Son equipos que facilitan el intercambio de este entre dos fluidos que están a diferente temperatura y al mismo tiempo evitan que se mezclen entre sí. La transferencia de calor se produce por convección en el fluido y por conducción a través de la pared que los separa. Fundamentalmente existen tres tipos de intercambiadores de calor:
1 Intercambiador de calor de doble tubo: es el más simple y se trata de dos tubos concéntricos por donde un fluido se desplaza por la tubería interior y el otro por el espacio anular entra ambas tuberías. Se pueden fabricar con un solo par de tubos o con varios pares de tubos en serie. Se utiliza para velocidades de flujo de fluido bajas.
1 Intercambiadores de tubo y coraza: se utilizan cuando existen flujos de fluido mayores, y es el tipo de intercambiador más importante en la industria química. Se trata de un conjunto de tubos paralelos distribuidos en el interior de una coraza. En el interior de estos tubos corre uno de los fluidos, y el otro circula por el interior de la coraza y por el exterior de los tubos.
1 Intercambiador de flujo transversal: sirve para calentar o enfriar un gas como, por ejemplo, el aire. Uno de los fluidos, que es un líquido o un gas circula por el interior de los tubos y el gas exterior (a calentar o a enfriar) fluye por convección forzada o natural a través del conjunto de tubos.
Aplicación práctica
Calcule el calor en BTU necesario para elevar la temperatura de 5 l de agua de 25 ºC a 75 ºC, siendo el calor específico del agua 1 cal · g-1 · ºK-1 y la densidad del agua 1.000 g/l.
SOLUCIÓN
Teniendo en cuenta que la densidad del agua es 1.000 g/l, 5 l de agua son M = 5 · 1.000 = 5.000 g de agua.
Por otro lado, tf = 75 ºC son 273,15 + 75 = 348,15 ºK y ti = 25 ºC son 273,15 + 25 = 298,15 ºK.
La ecuación que relaciona el calor que necesita una sustancia con el calor específico de la misma, su masa y la diferencia de temperaturas es:
Q = c · M · (tf - ti ) = 1 5.000 · (348,15 – 298,15) = 250.000 cal = 250 Kcal
Mediante una simple regla de tres se puede calcular los BTU:
Si 252 cal son 1 BTU, entonces 250.000 cal serán X BTU
Por tanto X que será el calor en BTU será:
Q = 250.000 · 1 / 252 = 992 BTU
Aplicación práctica
¿Qué tipos de mecanismos de transferencia de calor se producen en un intercambiador de calor? ¿Cómo se llevan a cabo?
SOLUCIÓN
Intercambiador de calor:
1 Convección del fluido: el calor se mueve con el fluido a través de tuberías hasta el intercambiador de calor y será uniforme en todo el fluido. Se produce mediante convección forzada, ya que los fluidos son impulsados por equipos que lo mueven como pueden ser bombas.
2 Conducción de las paredes del intercambiador: la transferencia de calor se produce a través de las paredes del intercambiador desde un fluido que tiene mayor temperatura hasta el otro con menor temperatura.
3 Convección del fluido: el calor entra en contacto con el nuevo fluido que lo va a llevar a través de las tuberías y cuyo calor será uniforme en todas las partículas del fluido. Se produce mediante convección forzada.
3. Fluidos. Mecánica de fluidos
En cualquier planta química, los procesos se llevan a cabo mediante la manipulación o manejo de fluidos a través de tuberías, bombas, etc., de ahí la importancia de estos, y su obligado estudio. La ciencia que estudia el comportamiento de los fluidos es la mecánica de fluidos, independientemente de que estén en reposo (estática de fluidos) o en movimiento (dinámica de fluidos).
3.1. Introducción. Naturaleza de los fluidos. Estados de agregación de la materia
Como se sabe, la materia se presenta esencialmente bajo tres formas o estados de agregación diferentes: el estado sólido, el estado líquido y el estado gaseoso. Los fluidos son las sustancias que están en fase líquida o en fase gaseosa.
