Entender la transferencia de calor para dimensionar la caldera y el sistema de distribución de vapor

En un sistema de calentamiento con vapor, el único propósito de generar y distribuir vapor es proporcionar calor a una superficie de transferencia de calor de un proceso. Si se sabe que el aporte térmico necesario y la presión de vapor, entonces se podrá determinar la tasa de consumo de vapor necesaria. Esto permitirá que se pueda dimensionar la caldera y el sistema de distribución de vapor.

Métodos de transferencia de calor

Siempre que exista una gradiente de temperatura, ya sea en un mismo fluido o entre distintos fluidos, se producirá una transferencia de calor. Esto puede ser por conducción, convección o radiación.

Transferencia de calor por conducción 

Siempre que exista un gradiente de temperatura, ya sea en un mismo fluido o entre distintos fluidos, la transferencia de calor que tiene lugar se conoce como conducción. 

Cuando las moléculas en un fluido chocan entre si, se transfiere energía de las moléculas con más energía a las que tienen menos energía. Debido a que las temperaturas más altas se asocian con mayores energías moleculares, la conducción debe ocurrir en la dirección de disminución de la temperatura.

Este fenómeno se puede observar en líquidos y gases. Sin embargo, en los líquidos las interacciones moleculares son más fuertes y más frecuentes, porque las moléculas están más cerca unas de otras.

En los sólidos, la conducción se produce por las vibraciones reticulares de la actividad atómica.

La ecuación utilizada para expresar la transferencia de calor por conducción se conoce como la ley de Fourier. Donde hay una distribución de temperatura lineal bajo condiciones estables, para una pared en plano unidimensional se puede exponer como:

La conductividad térmica es una característica del material de pared y depende de la temperatura.

La siguiente tabla muestra la variación de la conductividad térmica con temperatura para varios metales comunes.

Teniendo en cuenta el mecanismo de transferencia de calor en la conducción, en general, la conductividad térmica de un sólido será mucho mayor que la de un líquido, y la conductividad térmica del líquido será mayor que la de un gas. El aire tiene una conductividad térmica especialmente baja y es por eso que los materiales aislantes a menudo tienen mucho espacio con aire.

Transferencia de calor por Convección 

Se conoce como convección a la transferencia de energía calorífica entre una superficie y un fluido en movimiento a diferentes temperaturas. En realidad, es una combinación de los mecanismos de difusión y el movimiento en masa del fluido.

Cerca de la superficie, donde la velocidad del fluido es baja, domina la difusión (o movimiento molecular aleatorio). Sin embargo, cuando se aleja de la superficie, el movimiento en masa tiene una influencia creciente. La transferencia calorífica convectiva puede tomar forma de convección forzada o convección natural. La convección forzada ocurre cuando el flujo de fluido es inducido por una fuerza externa, como una bomba o un agitador. Por el contrario, la convección natural la causa las fuerzas de flotación, debido a las diferencias de densidad producidas por las variaciones de temperatura en el fluido.

La transferencia de energía calorífica causada por un cambio de fase, como la ebullición o la condensación, también se le conoce como un proceso de transferencia de calor por convección.

La ecuación de convección se expresa mediante la siguiente ecuación que deriva de la ley de enfriamiento de Newton:

Transferencia de calor por Radiación 

Se conoce como la radiación térmica a la transferencia de calor debido a la emisión de energía de las superficies en forma de ondas electromagnéticas. En la ausencia de un medio que intervenga, hay una transferencia de calor neta entre dos superficies a diferentes temperaturas. Esta forma de transferencia de calor no depende en un medio material y, en realidad, es más eficiente en vacío.

Ecuación general de transferencia de calor

En la mayoría de las situaciones prácticas, es muy raro que se transfiera toda la energía por un solo medio de transferencia de calor. El proceso global de transferencia de calor por lo general será una combinación de dos o más mecanismos diferentes.

La ecuación que se utiliza generalmente para calcular la transferencia de calor a través de una superficie utilizada en el procedimiento de diseño y que forman parte de la teoría de intercambio de calor es:

Coeficiente total de transferencia de calor (U)

Este toma en cuenta tanto la resistencia conductora y de convección entre dos fluidos separados por una pared sólida. El coeficiente total de transferencia de calor es el recíproco de la resistencia total a la transferencia de calor: que es la suma de las resistencias individuales.

El coeficiente total de transferencia de calor puede que también tenga en cuenta el grado de suciedad en el proceso de transferencia de calor. La deposición de una película o incrustaciones en la superficie de transferencia de calor reducirá en gran medida la tasa de transferencia de calor.

El factor de ensuciamiento representa una resistencia térmica adicional causada por las impurezas del fluido, la formación de óxido y otras reacciones entre el fluido y la pared.

La magnitud de los coeficientes individuales dependerá de la naturaleza del proceso de transferencia de calor, las propiedades físicas de los fluidos, los caudales de fluido y la disposición física de la superficie de transferencia de calor.

Como la disposición física no se puede establecer hasta que se haya calculado el área de transferencia de calor, el diseño del intercambiador de calor es por necesidad, un procedimiento iterativo. Un punto de partida para este procedimiento por lo general consiste en seleccionar los valores típicos para el coeficiente total de transferencia de calor de varios tipos de intercambiador de calor.

Un cálculo exacto de los coeficientes de transferencia de calor individuales es un procedimiento complicado y en muchos casos no es posible debido a que algunos parámetros son desconocidos.

Por lo tanto, el uso de los valores típicos establecidos de coeficiente total de transferencia de calor serán adecuados para fines prácticos.

Diferencia de temperatura (△T)

La ley de enfriamiento de Newton establece que la velocidad de transferencia de calor está relacionada con la diferencia de las temperaturas instantáneas entre el medio caliente y el frio. En un proceso de transferencia de calor de transferencia esta diferencia de temperatura variará en posición y con el tiempo. La ecuación general de transferencia de calor se ha desarrollado como una extensión de la ley de Newton de enfriamiento, en la que se utiliza la diferencia de temperatura media para establecer el área de transferencia de calor necesaria para una carga térmica dada.

Diferencia de temperatura media (△TM)

Para determinar la diferencia de temperatura media en un proceso de tipo de flujo como un intercambiador de calor dependerá de la dirección de flujo. Los fluidos primario y secundario pueden fluir en la misma dirección (flujo paralelo / flujo en el mismo sentido), en dirección opuesta (flujo a contracorriente), o perpendicular el uno al otro (flujo cruzado). Cuando se utiliza vapor saturado, la temperatura del fluido primario se puede tomar como una constante, ya que el calor se transfiere como resultado sólo de un cambio de fase. El resultado es que el perfil de temperatura ya no depende de la dirección del flujo.

Sin embargo, según pasa el fluido secundario por encima de la superficie de transferencia de calor, la mayor tasa de transferencia de calor se produce en la entrada y disminuye progresivamente a lo largo de su recorrido hacia la salida. Esto es simplemente porque la diferencia de temperatura entre el vapor y el fluido secundario se reduce con el aumento de la temperatura del secundario.

El perfil de temperatura resultante del vapor y fluido secundario se muestra generalmente como en la siguiente figura.

El aumento de la temperatura del secundario no es lineal y se representa mejor con un cálculo logarítmico. Para este fin, a la diferencia de temperatura media logarítmica o LMTD o ▵TLM.

Una forma más fácil (pero no precisa) para calcula la diferencia de temperatura media es mediante la diferencia de temperatura del fluido secundario y, para cálculos manuales rápidos, normalmente dará una aproximación satisfactoria de la diferencia de temperatura media para ser utilizada en la ecuación anterior. El perfil de temperatura AMTD se muestra en la siguiente figura.

Diferencia de temperatura media aritmética (AMT)

Debido a que no hay un cambio de temperatura en el lado de vapor, la AMTD proporciona generalmente un análisis satisfactorio del proceso de transferencia de calor, que es fácil de manipular en los cálculos manuales.

Sin embargo, también se puede utilizar la diferencia de temperatura media logarítmica, lo que explica el cambio no lineal de la temperatura del fluido secundario.

Diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD)

En ambas ecuaciones anteriores se asume que no hay ningún cambio en la capacidad calorífica específica o el coeficiente de transferencia de calor total y que no hay pérdidas de calor.

En realidad, la capacidad específica de calor puede cambiar como resultado de las variaciones de temperatura. El coeficiente de transferencia de calor total también puede cambiar debido a las variaciones en las propiedades del fluido y las condiciones de flujo. 

Sin embargo, en la mayoría de las aplicacioneslas desviacionesserán casi insignificantes y el uso de valores medios es perfectamente aceptable.

En muchos casos el equipo de intercambio de calor estará aislado de su entorno, pero el aislamiento no es un 100% eficiente. Por lo tanto, la energía transferida entre el vapor y el fluido secundario puede no representar la totalidad de pérdida de calor del fluido primario.

Barreras a la transferencia de calor en sistemas de vapor

Puede que la pared metalica no sea la única barrera en un proceso de transferencia de calor. Existe la posibilidad que también exista una película de aire, condensado e incrustaciones en el lado de vapor. En cuanto al lado del producto puede que haya también producto adherido o incrustaciones además de una película estancada del producto.

Para eliminar el efecto de película estancada se puede agitar el producto, mientras que una limpieza regular en el lado del producto reducirá las incrustaciones.

Limpiar con regularidad de la superficie en el lado de vapor también aumentará la tasa de  transferencia de calor al reducir el espesor de las capas de incrustaciones, sin embargo, este no siempre se podrá hacer. Esta capa también puede reducirse mediante una cuidadosa atención al funcionamiento correcto de la caldera y la eliminación de las gotas de agua que transportan impurezas de la caldera.

Condensación en película

Eliminar la película de condensado no es tan sencillo. A medida que el vapor se condensa al ceder su entalpía de evaporación, se forman unas pequeñas gotas de agua en la superficie de transferencia de calor. Estos se funden juntos formando una película continua de condensado. La película de condensado puede que sea de entre 100 y 150 veces más resistente a la transferencia de calor que una superficie de calentamiento de acero, y entre 500 a 600 veces más resistente que una de cobre.

Condensación en gotas

Si las gotas de agua en la superficie de transferencia de calor no se funden inmediatamente ni forman una película de condensado continua, se produce una condensación en gotas. Las tasas de transferencia de calor se puede conseguir con la condensación en gotas son mucho mayores que las que se pueden conseguir con una condesación en película.

Como una mayor parte de la superficie de transferencia de calor está expuesta durante la condensación gota a gota, los coeficientes de transferencia de calor pueden ser hasta diez veces mayores que los de condensación en película.

En el diseño de los intercambiadores de calor donde se procura que la condensación sea en gotas, a menudo, la resistencia térmica que produce es insignificante en comparación con las otras barreras de transferencia de calor. Sin embargo, se ha demostrado que es muy difícil de lograr mantener las condiciones adecuadas para una condensación en gotas.

Si la superficie está recubierta con una sustancia que inhibe el humedecimiento, puede que sea posible mantener una condensación en gotas durante un período breve de tiempo. Para este propósito, existen una gama de recubrimientos de superficie como siliconas, PTFE y una variedad de ceras y ácidos grasos que se aplican a las superficies en un intercambiador de calor en el que se quiere crear condensación. Sin embargo, estos recubrimientos pierden gradualmente su efectividad debido a procesos como la oxidación o ensuciamiento y, al final, predominará eventualmente la condensación en película.

Como el aire es tan buen aislante, proporciona aún más resistencia a la transferencia de calor. El aire puede que sea entre 1.500 y 3.000 veces más resistente al flujo de calor que el acero y entre 8000 y 16.000 más resistente que el cobre. Esto significa que una película de aire de tan sólo 0,025 mm de grosor puede tener una resistencia a la transferencia de calor como una pared de cobre de 400 mm de espesor. Por supuesto, todas estas relaciones comparativas dependen de los perfiles de temperatura a través de cada capa.

La siguiente figura nos muestra el efecto que esta combinación de capas tiene en el proceso de transferencia de calor. Estas barreras a la transferencia de calor no sólo aumentan el espesor de toda la capa conductora, también reducen en gran medida la conductividad térmica de la capa.

Cuanto más resistente sea la capa para calentar el flujo, mayor será probablemente el gradiente de temperatura. Esto significa que para conseguir la misma temperatura del producto, la presión del vapor tenga que ser bastante mayor.

No es inusual la presencia de películas de aire y agua en las superficies de transferencia de calor en aplicaciones de calentamiento de procesos o calefacción. Ocurre en cierto grado en todas las unidades de proceso calentadas con vapor.

Para conseguir la temperatura de salida del producto y minimizar el coste de las operaciones de vapor de proceso, se debe mantener un alto rendimiento de calentamiento reduciendo el espesor de las películas en la superficie de condensación. En la práctica, el aire por lo general tiene un efecto más importante en la eficiencia de transferencia de calor y su eliminación del suministro de vapor aumentará el rendimiento de calentamiento.

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