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Tema 1:

Transferencia de calor

Prof. Odry VivasA-2019

Contenido Calor sensible y latente.

Termómetros: medida y registro de la temperatura.

Mecanismos de transmisión de calor: conducción, convección y radiación.

Vapor: producción (calderas), tipos, propiedades.

Tipos de intercambiadores de calor utilizados en la industria farmacéutica y alimentaria.

Calentamiento por microondas.

Principios generales de la refrigeración por compresión. 2

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Algunas preguntas que debemos responder sobre este tema

Como se transfiere el calor en determinado proceso?.

Como funcionan los termómetros? Cual es el más indicado para determinado proceso?

Cual es el intercambiador de calor adecuado para determinado proceso?

Como funcionan las calderas?

Que significa U y como puede mejorarse su valor en un proceso?

Cuales son las aplicaciones más importantes del calentamiento con microondas en la IF?

Como funciona un refrigerador por compresión?

Permite la ejecución de operaciones básicas como:

Evaporación

Secado

Liofilización

Esterilización

Destilación

Usos de la transferencia de calor en la industria farmacéutica y de alimentos

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CalorFenómeno físico que aumenta la temperatura de un cuerpo y lo dilata, funde, volatiliza o descompone. Energía cinética total de todos los átomos o moléculas de una sustancia.

La temperatura de un cuerpo es la medida de su estado térmico considerado como su capacidad de transferir calor a otros cuerpos y se expresa en las unidades de °C, ºF en escala relativa y ºR, K en escala absoluta.

Temperatura

Para que ocurra transferencia de calor, debe existir una diferencia de temperatura entre los cuerpos

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Magnitud Nombre Símbolo

Longitud metro m

Masa kilogramo kg

Tiempo segundo s

Intensidad de corriente eléctrica ampere A

Temperatura termodinámica kelvin K

Cantidad de sustancia mol mol

Intensidad luminosa candela cd

Sistema Internacional de Unidades

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Flujo de energía de un cuerpo a otro cuando existe una diferenciade temperatura, siendo el resultado del movimiento molecular yproduciéndose en dirección del cuerpo más caliente al más frío, auna velocidad que depende de la diferencia de temperatura y de laresistencia que ofrece el medio al flujo del calor.


Estudio de las velocidades a las cuales el calor se intercambia entre fuentes de calor y recibidores, tratados usualmente de manera independiente.

La transferencia cesa en el momento en que el movimiento molecular de los cuerpos se hace

igual.

Los mecanismos por los que fluye el calor son: Conducción, convección y radiación.

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Si se enfría una sustancia, nos referimos de igual forma a transferencia de calor?

Porqué?

Cuando calentamos ocurre una transferencia de calor.

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Conceptos relacionados

Entalpía: es una propiedad termodinámica de una sustancia que nos indica en contenido de energía de sus moléculas que están en constante movimiento browniano.

BTU (British Thermal Unit): cantidad de calor requerido para aumentar en 1ºF la temperatura de 1 lb de agua a presión atmosférica (61 – 62 ºF).

Caloría: Cantidad de energía requerida para aumentar en 1ºC la temperatura de 1 gramo de agua a la presión atmosférica (14,5 –15,5 ºC).

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Conceptos relacionados

Capacidad calorífica (Cp): cantidad de calor necesario (calorías, BTU), para provocar un aumento de la temperatura de 1 (ºC, ºF) a cierta masa de sustancia. Se expresa como “calor” sobre “grados centígrados” (J/ºC).

Como es una propiedad extensiva (depende de la masa), su valor dependerá de la cantidad de sustancia a la que se le aplique calor. Si la Cp de una sustancia es alta, quiere decir que se necesita mayor cantidad de energía (calor) para aumentar su temperatura.

Calor específico (C): es una propiedad intensiva, es decir, no depende de la cantidad de sustancia (masa), por eso se representa como una constante para cada material. Se entiende como la cantidad de calor que puede absorber un material sin calentarse significativamente. Unidades: J/gºC

Calor específico del agua:C= 4,184 J/gºC

La Capacidad calorífica de dos masas de agua:1000 g H2O x 4,184 J/gºC= 4184 J/ºC50000 gH2O x 4,184 J/gºC= 209200 J/ºC

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Distintas cantidades de una misma sustancia

Se proporciona la misma cantidad de calor a dos vasijas iguales que contienen diferentes volúmenes de agua.

Se puede observar que el agua en cada una de ellas experimenta distinto incremento de temperatura. De esta manera se puede conocer cual de ellas tiene mayor capacidad calórica.

http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/labdemfi/termodinamica/html/termodinamica.html

Laboratorio de Demostraciones de Física. Facultad de Ciencias-ULA

Capacidad calorífica

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Calor específicoIgual cantidad de distintas sustancias

A dos vasijas iguales que contienen la misma cantidad de diferentes sustancias (agua y malta por ejemplo), se les proporciona la misma cantidad de calor.

Se puede observar que las sustancias presentan un incremento distinto de temperatura. De esta manera se puede conocer cual de ellas tiene mayor calor específico.

Laboratorio de Demostraciones de Física. Facultad de Ciencias-ULA

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Calor sensibleCuando en un sistema su temperatura aumenta o disminuye debido a un suministro de energía en forma de calor.

Clases de calor

Este cambio se cuantifica por la siguiente ecuación:

Q = m x C x (T2 – T1)

Donde:Q= cantidad de calor intercambiado (cal)m= masa de la sustancia (g)C= calor especifico (capacidad calorífica específica) (cal/gºC)T2= temperatura del extremo caliente (ºC)T1= temperatura del extremo frío (ºC)

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Calor latenteCuando en un sistema su temperatura no cambia cuando se suministra energía en forma de calor, en su lugar ocurre un cambio de fase.

Clases de calor

Viene dado por la siguiente ecuación:

Q= m x λ

Donde:Q= cantidad de calor intercambiado (cal)m= masa de la sustancia (g)λ= calor latente del cambio de estado (cal/g)

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Calor latente

Clases de calor

Calor latente de evaporación: calor que se debe suministrar a una unidad de masa de agua a temperatura de ebullición para que se transforme en vapor.

Calor latente de condensación: calor que se debe retirar de una unidad de masa de vapor a la temperatura de ebullición para que se transforme en líquido.

Calor latente de fusión: energía necesaria para cambiar una masa de sustancia de estado sólido a líquido.

Calor latente de solidificación: energía necesaria para cambiar una masa de sustancia de estado líquido a sólido.

Calor latente de sublimación: energía necesaria para cambiar una masa de estado sólido a vapor.

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Diagrama de fases del agua a P= 1 atm

Temperatura

ºF ºC

212 100

032

Líquido saturado Vapor húmedo

Vapor seco sat.

Q latente de fusión Q sensible líquido Q latente evaporación Q sensible vapor

180.1 BTU/lb 970.4 BTU/lb

Q

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144 BTU/lb

Hielo + agua Agua Agua + Vapor Vapor

Medida y registro de la temperatura

La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de los átomos y moléculas individuales de una sustancia.

El estado térmico puede medirse con una amplia gama de instrumentos, siendo esta medida de forma indirecta, es decir, midiendo una propiedad física de los materiales que cambia con la temperatura.

Estos instrumentos se clasifican en:

• Sistemas de expansión

• Sistemas eléctricos

• Sistemas de radiación

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Sistemas de expansión

Termómetros: se basan en el cambio de alguna propiedad física con la temperatura. Es posible establecer una escala de temperatura para una sustancia dada empleando alguna de estas cantidades físicas.

Por ejemplo: cambio de volumen de un líquido, cambio de la longitud de un sólido, cambio en la presión de un gas a volumen constante, cambio en el volumen de un gas a presión constante.

Termómetro de mercurio (-38ºC a 550ºC) y alcohol (-100ºC a 70ºC): El líquido se dilata y aumenta su volumen dentro del capilar por efecto del calor

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Termómetro metálico: cambio asociado al aumento de la temperatura es el cambio de la longitud de la varilla de metal.

Láminas metálicas con coeficientes de dilatación diferentes.

Sistemas de expansión (cont.)

Termómetro bimetálico: Mide la temperatura mediante la contracción y expansión de dos distintas aleaciones metálicas de alto y bajo coeficiente de dilatación.

A nivel microscópico, la dilatación térmica de los sólidos sugiere un aumento en la separación media entre sus átomos y moléculas constituyentes.

Sistemas de expansión (cont.)

Termómetro de resorte a presión: un fluido (líquido, gas o líquido vaporizado) se expande y está contenido en un sistema a volumen constante. La presión resultante es función de la temperatura.

Se utiliza cuando la temperatura a ser leída se encuentra retirada del lugar donde se hace la lectura.


Sistemas eléctricosSe basan en cambios en la resistencia eléctrica debidos a la temperatura.

TermoparDispositivo formado por la unión de dos metales distintos que producen un voltaje que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado punto caliente o de medida, y el otro denominado punto frío o de referencia.

Mide el voltaje generado en la unión de los dos metales diferentes


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Sistemas de radiaciónPirómetro: instrumento utilizado para medir, por medios eléctricos, elevadas temperaturas por encima del alcance de los termómetros de mercurio.


Registra la temperatura mediante el calor o la radiación emitida por objetos calientes, y es el único termómetro que puede medir temperaturas superiores a 1477 °C.

Entre ellos se encuentran los pirómetros ópticos, de radiación, de resistencia y termoeléctricos.

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Tabla de conversión de temperatura

Grados Celsius (ºC) Grados Fahrenheit (ºF) Grados Kelvin (ºK) Grados Rankine (ºR)

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Mecanismos de transferencia de calor

Fuerza motriz ΔTResistencia al flujo R

Q = =

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ConducciónEs el paso de calor a través de un cuerpo, de molécula a molécula, sin desplazamiento visible de sus partículas.

Ocurre en medios sólidos27


Conducción

Flujo de calor K x Diferencia de temperaturaÁrea longitud

=

Donde:K= conductividad térmica (W/mºC)

Ley de Fourier

Q K x A ΔT

ΔX=

Resistencia= R= K ΔX 28

Q

R1R2

R3

X1 X2 X3


ConducciónLey de Fourier

Q ΔT ΔT R (R1+R2+R3)

Resistencias térmicas en serie

ΔT= ΔT1 + ΔT2 + ΔT3

= =

Es importante considerar la suma de las resistencias

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>

<

<

Conductores térmicos

Aislantes


Convección Es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masa o circulación dentro de la sustancia. Puede ser natural o forzada.

Sólo se produce en líquidos y gases donde los átomos y moléculas son libres de moverse en el medio.

Convección forzada

Ventilador

Resistencias eléctricas

Aire caliente

Material a ser calentado

Convección natural

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Convección Ley de Newton

Donde:h= coeficiente individual de convección (W/m2 ºC)A= área de transmisión de calorΔT= diferencia de temperatura (entre la pared y el fluido)

Q = h x A x ΔT

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Convección Coeficientes de transferencia de calor:Término que relaciona las propiedades termodinámicas de un fluido con las resistencias que existen al flujo de calor.

Factores de influyen en el flujo de calor:- Propiedades físicas de fluido: viscosidad (μ), densidad (ρ)- Propiedades térmicas del fluido: calor específico (Cp), conductividad (K)- Dimensiones de la superficie de transferencia: longitud (l), diámetro (D)- Velocidad del fluido sobre la superficie de transferencia (v)- Diferencia de temperatura (ΔT)- Coeficiente de expansión cúbica (β)- Gravedad (g)

Q= f (μ, ρ, Cp, k, l, v, ΔT, β, g)


Convección

Valores aproximados de algunos coeficientes de convección

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Radiación Es energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas las direcciones.

Es producida por los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivos y transportada por ondas electromagnéticas o fotones, por lo recibe el nombre de radiación electromagnética.

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Radiación Ley de Stefan-Boltzmann

Q= A x Ɛ x σ x T4

Donde:Q= flujo de calor por radiaciónA= áreaƐ= emisividad superficial (depende del color)σ= constante de Stefan-Boltzmann 1,37 x 10-12 cal/cm2seg ºk4

5,67x10-8 W/(m2K4) T= temperatura absoluta medida en ºK

Velocidad de transferencia de calor

Radiación > Convección > Conducción 36


Tipos de radiación

Radiación transmitida (emite)

Radiación absorbida

Radiación reflejada

Radiación incidente

Material Buen absorbedor = buen transmisor Refleja poco Metales (olla)Mal absorbedor = mal transmisor Refleja mucho (efecto espejo) Termo para café


Radiación

Cuerpo negro------- emisividad= 1Cuerpo gris= 0 > Ɛ < 1

• Cuerpo "negro" emite y recibe el máximo de emisividad "e" = 1 (máximo número teórico).

• Los espejos no emiten ni reciben radiación, por lo que su emisividad "e"= 0

• Los cuerpos reales ó grises, emiten y reciben porcentajes variables según la característica de su superficie.

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Superficies negras y reflectantesSe tienen tres potes metálicos que poseen en su interior bombillos

iguales. Uno de ellos se encuentra pintado de negro, otro de plateadoy uno tiene un costado negro y el otro plateado. Al encender losbombillos y colocar las manos sobre los potes se puede sentir ladiferencia de radiación de las superficies negras y reflectantes.

http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/labdemfi/termodinamica/html/termodinamica.html39

Tomado de:


Por lo general, en procesos de transferencia de calor, se dan los 3 mecanismos de transmisión.


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Para que la transferencia de calor sea más eficiente, que condiciones debe evitar y que condiciones debe favorecer durante el proceso?

Vapor

Es el gas formado cuando el agua pasa de un estado líquido a uno gaseoso.

Temperatura de Ebullición Normal: Temperatura a la cual la presión de vapor = presión atmosférica

Patm= 1 atm = 760 mmHg = 14,7 lb/plg2 (psi)= 101,33 kPa ( KN/m2)

Usos: fuerza motriz y calorífica (calentar, evaporar, fundir, esterilizar, secar, humidificar, cocinar, limpiar, vacío, etc.)

A nivel molecular esto es cuando las moléculas de H2O logran librarse de las uniones (puentes de hidrógeno) que las mantienen juntas.

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Vapor

Las propiedades del vapor varían de gran forma dependiendo de la presión y la temperatura.

• Es la mezcla de vapor seco y agua líquida. Es la forma más común de vapor. Su calidad se mide como titulo de vapor o % en peso de vapor seco. Uso: Transferencia de calor.

Vapor saturado húmedo

• El agua se evapora completamente, no contiene humedad. Calidad de vapor 100% (vapor ideal). Uso: transferencia de calor. Si se calienta= vapor sobrecalentado. Si se enfría: condensa .

Vapor saturado seco

• Vapor saturado que se somete a una temperatura mayor o sobrecalentamiento (aumentando la

temperatura o presión). Uso: movimiento-impulso.

Vapor sobrecalentado

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VaporEquipos utilizados para la producción de vaporCalderas

Entrada de aire y combustible

Hogar o zona de combustión

Tubos de agua

Salida de gases de la combustión

Alimentación de agua

Tubería de vapor de salida

El agua que va a la caldera se almacena en un tanque o cámara. Una bomba de alta presión lleva el agua hasta las tuberías de la caldera.

En la zona de combustión se encuentra un quemador automático (combustible: carbón, gas) el cual distribuye el calor en las superficies de calentamiento o tuberías.

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VaporEquipos utilizados para la producción de vaporCalderas

Entrada de aire y combustible

Hogar o zona de combustión

Tubos de agua

Salida de gases de la combustión

Alimentación de agua

Tubería de vapor de salida

En las calderas Acuotubulares el agua circula por las tuberías y la llama calienta directamente la tubería. En calderas Pirotubulares el medio calefactor o gases circula por tuberías que están sumergidas en agua, que es calentada hasta provocar su evaporación. El agua es transformada en vapor por medio de los mecanismos radiación, conducción y convección.

El vapor es conducido por tuberías hasta el lugar de uso o colectado en cámaras para su distribución.

Seguridad: la chimenea ayuda a extraer los gases de combustión. Válvula de salida: purga de fondo donde salen polvos, lodos, desechos. Válvulas de seguridad para presión, nivel de agua, etc.

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Vapor

Equipos utilizados para la producción de vapor

Calderas

45Caldera a gas

Vapor

Equipos utilizados para la producción de vapor

CalderasCuando el vapor se genera utilizando una caldera, generalmente contiene humedad proveniente de las partículas de agua no vaporizadas las cuales son arrastradas hacia las líneas de distribución de vapor. Una buena caldera puede descargar vapor conteniendo de un 3% a un 5% de humedad.

CALIDAD DE VAPOR (X)= Grado de humedad del vapor o % en peso de vapor seco.

Ejemplos de valores de calidad de vapor (título de vapor):• Vapor seco saturado X= 1 (100%) a temperatura normal a su correspondiente

presión.

• Vapor húmedo saturado, ejemplo X=0,9 (90% vapor seco y 10% agua).

• Vapor sobrecalentado X= 1 (100%) a temperatura superior a la correspondiente a su presión. 46

Vapor

Presión de vapor: presión ejercida por el vapor en equilibrio con el líquido. Se expresa en unidades de masa sobre superficie (ej: kg/cm2).

Presión: fuerza ejercida perpendicularmente sobre un área.

Vapor: gas obtenido por vaporización de un líquido.

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Vapor

• La molécula que llega choca y aumenta la presión

• El número de moléculas intercambiadas es estable para cada temperatura.

• Si la presión absoluta es menor que la presión de vapor se presenta un desequilibrio conocido como ebullición.

• El intercambio de moléculas entre las fases líquida y gaseosa origina presión por acción y por reacción.

• La molécula que sale se impulsa y aumenta la presión.

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Vapor

Tablas de vaporPresentan las propiedades térmicas y físicas del agua y del vapor para diferentes presiones.

- Presión atmosférica: fuerza que ejerce el aire sobre la atmósfera en cualquiera de sus puntos. Varía de acuerdo a la altitud: a mayor altitud, menor presión atmosférica. Aparato de medición: barómetro.

- Presión manométrica: producida por un medio distinto al de la presión atmosférica (superior a patm). Por ejemplo: gas de una bebida. Aparato de medición: manómetro.

- Vacío: presión medida por debajo de la presión atmosférica (manométrica negativa). Aparato de medición: vacuómetro.

- Presión absoluta (psia)= presión real ejercida por un fluido.P absoluta= Presión manométrica + P atmosféricaP absoluta= P atmosférica – P vacío

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Tablas de vapor

Ejemplo :Para una Presión manométrica de 15 lb/pulg2 ¿Cual es la temperatura y el calor sensible, latente y total?

Calor sensible = 219,0 Btu/lb

Calor latente = 945,6 Btu/lb

Calor total = 1164,6 Btu/lb

T = 250,3 º F

Presión absoluta =Presión manométrica + presión atmosférica.

Presión absoluta

Presión manométrica

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Intercambiadores de calor

Tipos de intercambiadores de calor según su uso

Enfriador: intercambiador de calor que disminuye la temperatura de un fluido, sin experimentar cambio de fase.

Refrigerador: unidad que utiliza un refrigerante para enfriar un fluido hasta una temperatura menor que la obtenida si se utilizara agua.

Condensador: unidades de tubo y carcaza que se utilizan para la condensación de vapores de desecho. 51


Tipos de intercambiadores de calor según su uso

Calentador: intercambiador de calor que aumenta la temperatura de un fluido, sin experimentar cambio de fase.

Generador de vapor (calderas): unidad que transforma el líquido en vapor.

Rehervidor: unidad de vaporización que trabaja a alta temperatura proporcionando calor latente de vaporización.

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Equipos responsables de intercambio de temperatura o calor, puede ser calentamiento o enfriamiento.

Deben cumplir con dos características primordiales:

Circulación de fluidos

• Flujo en contracorriente

• Flujo en paralelo

Transmisión de calor

• Turbulencia del flujo

• Forma, espesor y tipo de material de la pared de intercambio

• Presencia de depósitos en la pared de intercambio (costras)53


Circulación de fluidos

• Flujo en contracorriente

• Flujo en paralelo

Es cuando en un intercambiador de calor ambos fluidos tanto el fluido caliente como el frío circulan con la misma dirección y sentido.

Es cuando en un intercambiador de calor ambos fluidos tanto el fluido caliente como el frío circulan con la misma dirección pero en diferente sentido.

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Transmisión de calor

• Turbulencia del flujo> Turbulencia > coeficiente global de intercambio

Se logra aumentando la velocidad de circulación, depende de la viscosidad del fluido.

• Presencia de depósitos en la pared de intercambio (costras) Disminuye la conductividad térmica de la pared y

el coeficiente global de intercambio.

• Forma, espesor y tipo de material de la pared de intercambio

La forma define el tipo de intercambiador (placas, tubular).pared <espesor >coeficiente global de intercambio. Acero inoxidable presenta alta conductividad térmica (sanitario).

Flujo turbulento

Flujo laminar

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Coeficiente global de transmisión de calor (U)

Q = U x A x ΔT

Q= calor transferido por unidad de tiempo (BTU, caloría, joule)

A= Área disponible para la transferencia de calor (m2, pie2)

U= Coeficiente global de transferencia de calor (BTU/h pie2 ºF,

Kcal/h m2 ºC)

ΔT= diferencia de temperatura (ºC, ºF)

U indica la facilidad de transferencia de calor. 56


Coeficiente global de transmisión de calor (U)

Si en un sistema de transferencia de calor, el valor de U es alto, quiere decir que el sistema está bien diseñado y opera en condiciones que favorecen la transferencia de calor.

Bajos valores de U, pueden mejorarse variando ciertas condiciones:

Aumentar la velocidad del flujo (tubos y carcazas), o la velocidad de agitación (reactores)

Aumentar área de transmisión de calor o el tamaño de la unidad (considerar costos)

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Recordemos:

Q = m x C x (T2–T1)Calor sensible

Calor latente Q = m x λ

C= calor especifico de la sustancia (cal/g ºC)

λ= calor latente del cambio de estado (cal/g)

Q = U x A x ΔT

K= conductividad térmica (W/mºC)

h= coeficiente individual de convección (W/m2 ºC)

U= Coeficiente global de transferencia de calor (BTU/h pie2 ºF, Kcal/h m2 ºC)

σ= constante de Stefan-BoltzmannƐ= constante de emisividad

Q K x A ΔT

ΔX=

Calor por conducción

Calor por convección

Calor por Radiación

Q = h x A x ΔT

Q= A x Ɛ x σ x T4

Ec. General de transf. calor

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La designación de extremo caliente (2) o frío (1) se hace

según la temperatura del fluido que pierde calor

ΔT se refiere a un punto en particular de transferencia de calor. En unintercambiador de calor, las temperaturas de las corrientes cambian (fluidocalefactor y fluido a calentar o enfriar), por esto la diferencia de temperaturaviene dada por: ∆TM ó LMTD

∆TM ó LMTD= Diferencia de temperatura media logarítmica

∆T = T2 – T1

∆TM = Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔT2 - ΔT1

ln (ΔT2/ΔT1)ΔTM=

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Intercambiadores de carcaza y tubos

t2 =150°C

∆ T2

∆ T1

T2=80 °Ct1=100°C

T1= 40 °C


t2 :150°C

t1 :100°C

T1= 40 °CT2=80°C

Contracorriente

t= temperatura del fluido calefactor (o enfriador)

T= temperatura del material a calentar (o enfriar)

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∆T2

t2= 150 °C

T2=40 °C

∆T1

t1= 100°C

T1= 80 °C

Intercambiadores de carcaza y tubosIntercambiadores de calor

Paralelo

t2= 150 °C

t1=100 °C

T1= 80°CT2= 40 °Ct= temperatura del fluido calefactor (o enfriador)

T= temperatura del material a calentar (o enfriar)

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Intercambiador de calor tubularesDoble tuboEstán constituidos por uno o más tubos en forma de U, encerrados dentro de otro tubo que hace papel de carcaza.

Ventajas• Altas presiones (16500 kPa carcaza y 103400 kPa

en tubos).• Disponibles en muchos tamaños.• Fácilmente modificables para mantenimiento.• U comparable con intercambiadores de tubo y

coraza.

Desventajas• Grandes, pesados y costosos por

unidad de área (menos caros para áreas >30m2).

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Fabricante: Alfalaval


Intercambiador de calor tubularesDoble tubo

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Intercambiador de calor tubulares


Tubo y carcazaConsiste en un haz de tubos paralelos encerrados en una carcaza cilíndrica llamado coraza.

Desventajas• Inflexibles una vez instalados.

Ventajas• Condiciones extremas, como temperaturas,

presiones y fluidos corrosivos extremos.• Amplio intervalo de operación y tamaños. 64


Intercambiador de placasSerie de placas finas con corrugación que separa los fluidos, no son planas tienen cavidades que permiten contener en cada placa el fluido caliente y frío.

Ventajas• Especialmente útil donde la corrosión, la

sedimentación, limpieza y esterilización son importantes.

• El flujo es altamente turbulento (alto U).• Fácil de desmantelar y limpiar.

Desventajas• Limitado a temperaturas modestas y

bajas presiones (<25 bar).• Los empaques son caros y deben ser

reusables.65


Intercambiador de placas

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Aplicaciones en la industriaTipo de intercambiador de calor

Industria Farmacéutica Industria de Alimentos

Doble tubo

Tubo y carcaza

Producción de agua WFI (agua para inyección), agua apirógena, condensación de acetona y otros vapores generados durante algún proceso en la planta, calentamientoy enfriamiento rápido durante la elaboración de emulsiones, enfriamiento y calentamiento para plasma sanguíneo, lactato, colágeno, cosméticos, cremas corporales.

Fluidos que contienen fibras u otros sólidos. Fluidos de baja a alta viscosidad. Productos alimentarios.

Productos con partículas de fruta aséptica, dados de tomate, etc.

Placas Enfriar y calentar líquidos, condensación y esterilización de fluidos.

Pasteurización y enfriamiento de bebidas de baja viscosidad: jugos, productos lácteos, bebidas alcohólicas.

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Ejercicios

2) 50 kg/hora de una solución están siendo enfriados de 80ºC a 20ºC en un intercambiador de calor. El Calor específico de esa solución es de 3817 J/kg ºK. El agua empleada para esta operación entra en flujo contracorriente de 10ºC y sale a 17ºC. El Calor específico del agua es 4186 J/kg ºK.Calcular: a. La cantidad de agua requeridab. El área de superficie de transferencia de calor requerida en el intercambiador

de calor si U= 568 W/m2 ºK.

1) Se calienta 4500 kg/h de leche de vaca desde 5°C hasta 60°C, en un intercambiador de calor y utilizando para ello agua caliente. Cuanto calor se debe transmitir si el Calor especifico de la leche es de 0,916 kcal/kg°C?

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Ejercicios

Resolver:

3. Una mezcla de 454 kg de jugo de manzana a 10°C se calienta en un cambiador por adición de 21.300 kcal. Calcule la temperatura de salida del jugo. Dato: Cjugo: 0,957 kcal/kg°C. R= 59°C

4. Se calienta puré de plátano desde 15°C hasta 50°C usando agua a 93°C. Si la cantidad de puré es de 2.000 kg/h. Cual será la cantidad de agua utilizada si la temperatura del agua es de 60°C?. Datos: Capacidad calorífica específica del puré= 0,875 kcal/kg°C, capacidad calorífica específica del agua= 1 kcal/kg°C

Calentamiento por microondas

Las microondas son ondas de radio de alta frecuencia (campos de radiofrecuencia) y como la radiación visible (luz), son parte del espectro electromagnético.

Las microondas son usadas principalmente para la difusión de TV, radar para la ayuda a la navegación aérea y marítima, y las telecomunicaciones incluyendo los teléfonos móviles. También son usados en la industria para procesar materiales, en medicina para el tratamiento por diatermia y en las cocinas para la preparación de los alimentos (calentamiento).

Espectro electromagnético

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Una vez que el horno es encendido, las microondas se dispersan en la cavidad del horno y son reflejadas por un ventilador agitador de modo que las microondas sean propagadas en todas direcciones.

La uniformidad del calentamiento es usualmente asistido colocando al elemento sobre una plataforma rotatoria en el horno. Las moléculas de agua vibran cuando absorben la energía del microondas y la fricción entre las moléculas resulta en el calentamiento.

Funcionamiento del equipo:

Las microondas son producidas por un tubo electrónico llamado magnetrón.

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Utilizan una frecuencia de 2450 MHz, lo cual le permite tener cierto grado de penetración, y en consecuencia esta longitud hace que salte objetos más pequeños y que no estén directamente en su trayectoria y esto se observe en ocasiones como un calentamiento desigual.

La energía de microondas posee un bajo contenido energético en sus fotones (0.03 kcal/mol), la cual al ser comparada con la energía de los enlaces químicos, que va de un intervalo de 20 a 80 kcal/mol se considera relativamente baja, en consecuencia, las microondas no podrían afectar directamente la estructura molecular. Por lo tanto, el efecto de la excitación de las moléculas por las microondas es puramente incremento de la energía cinética. Las microondas no contienen suficiente energía para provocar cambios químicos en los compuestos por ionización y se consideran como una radiación no ionizante.

Fundamento

Correa y Hernández (2011)72


Calentamiento instantáneo de cualquier material que presente conducción iónica o rotación bipolar, que son los dos mecanismos fundamentales para la transferencia de energía de microondas hacia la materia. La rotación bipolar hace referencia a una interacción en la cual las moléculas o especies polares intentan alinearse con la rapidez cambiante de dicho campo eléctrico, el movimiento y fricción entre las moléculas origina la transferencia de energía que se convierte en calor.



El agua es la principal molécula en interactuar con las microondas, ya que sus características químicas y físicas la hacen idónea para ello, el ángulo de sus átomos y su alto valor de factor dieléctrico.

Los materiales no polares (ejemplo: aire, teflón, cuarzo, vidrio) no pueden convertir la energía de microondas en calor. Las microondas pasan a través de estos materiales y no se debilitan. Sin embargo, existe literatura que apoya que un amplio número de plásticos incluyendo el PVC, rayón, nylon, poliéster, poliestireno y PTFE pueden absorber las microondas.



Aplicaciones de las microondas en la industria farmacéutica

• Combinación de las microondas y vacío para secar alimentos y productos farmacéuticos a bajas temperaturas, para evitar el deterioro del producto.

• Combinación de microondas y ultrasonido, pueden mejorar un gran número de reacciones para síntesis, extracción de productos naturales y preparación de muestras para análisis químico.

• En la síntesis de polímeros orgánicos asistidos con microondas (MAPS), particularmente aquellos con uso biomédico como los poliésteres alifáticos. Los más prominentes son PGA (ácido poliglicólico), PLA (ácido poliláctico) y PCL (policaprolactona), sus combinaciones y los copolimeros de estos con PEG (polietilenglicoles).

• Método de secado alternativo a equipos tradicionales como lecho fluidizado.

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Refrigeración

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Principios generales de la refrigeración por compresión

Fundamento

• Se basa en que una sustancia en estado líquido (refrigerante) necesita tomar calor de su entorno para vaporizarse (evaporarse).

• Esta sustancia que se vaporiza o evapora a una temperatura dada, toma calor del medio que la rodea para lograr evaporarse, logrando así reducir la temperatura de dicho medio (enfría).

• El sistema está conformado como mínimo por cuatro componentes: dos intercambiadores de calor: evaporador y condensador, un compresor y una válvula de expansión.

• El fluido refrigerante debe evaporarse y condensarse a las temperaturas y presiones requeridas, de forma segura y económica.

77https://www.youtube.com/watch?v=HWPHE1oOD3A

Para comprender mejor el proceso ver el siguiente video

https://www.youtube.com/watch?v=HWPHE1oOD3A


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Principios generales de la refrigeración por compresiónCondensador: • Las moléculas del gas a alta presión, son forzadas a unirse por lo que pierden energía en

forma de calor.• Cuando las moléculas se han unido lo suficiente, y el calor se ha disipado, el refrigerante

cambia de gas a líquido.• El refrigerante líquido se almacena en un recipiente a la salida del condensador y está

listo para entrar a la válvula de expansión

Condensador

Evaporador: • Al estar libre de presión el refrigerante empieza a evaporarse,

cambiando su estado de líquidos a gas. • El refrigerante absorbe calor mientras se evapora dejando

tras de si un espacio frío. • En este punto el refrigerante ha llegado al final de ciclo, y

está listo para volver a empezar.

Evaporador

Compresor:• Hace circular el

refrigerante en todo el sistema. Genera ΔP entre el evaporador y el condensador

• El refrigerante cambia de edo. liquido a gas y es expulsado al condensador a alta presión

Válvula de expansión: • Consta de un orificio

autoajustable limitando el paso de refrigerante. Crea una significativa caída de presión en el refrigerador (de alta a baja). Sale a baja presión

T ebullición: -15°C

30°C

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Refrigerantes más utilizados

• Amoníaco (NH3) Teb= -33ºC Tcong= -79ºC

• Hidrocarburos halogenados (Freones) R12, R22, CCl2F2

Se utilizan R30, R123, R134

Están prohibidos, sustancias que agotan la capa de ozono

• Otros:SO2, CO2, Cloruro de metilo

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RESUMEN

Referencias bibliográficas

Ablan E. Apuntes de clase. Procesos Unitarios. Facultad de Farmacia. Universidad de los Andes.

Correa LP, Hernández BE. El uso de las microondas en la industria farmacéutica. Rev Mex CcsFarm. 2011; 42(4): 6-25.

Sánchez MD. Apuntes de clase. Procesos Unitarios. Facultad de Farmacia. Universidad de los Andes.

Toledo R. Fundamentals of Food Process Engineering. Third edition. New York: Food ScienceText Series. Springer Science Business Media;2007.

Valiente A. Problemas de balance de materia y energía en la industria alimentaria. México: Editorial Limusa; 2001.

Web del profesor ULA Ciencias [Internet]. Mérida: Laboratorio de demostraciones físicas. Consulta Mayo 2018. Disponible en: http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/labdemfi/termodinamica/html/termodinamica.html

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