Posts Tagged ‘transferencia de calor’


Optimización, en su sentido más amplio, puede ser aplicado para resolver cualquier problema de ingeniería. Algunas típicas aplicaciones desde diferentes disciplinas de ingeniería son indicados en ésta entrada:

  1. Diseño de aeronaves y estructuras aeroespaciales con mínimo peso.
  2. Encontrar la trayectoria optima de los vehículos espaciales.
  3. Diseño de estructuras de ingeniería civil tales como puentes, torres, chimeneas, cimientos y presas (entre otros) al mínimo costo.
  4. Diseño de mínimo peso de estructuras para terremotos, viento y otros tipos de cargas aleatorias.
  5. Diseño de sistemas de fuentes de agua para máximo beneficio.
  6. Óptimo diseño plástico de estructuras.
  7. Diseño óptimo de acoplamientos, levas, engranajes, máquinas herramientas y otros tipos de componentes mecánicos.
  8. Selección de las condiciones de maquinado en procesos de corte de metal para minimizar costes de producción.
  9. Diseño de equipos para transporte de material como camiones, trenes (entre otros) a mínimo costo.
  10. Diseño de bombas, turbinas y equipos de transferencia de calor para máxima eficiencia.
  11. Óptimo diseño de maquinaria eléctrica tales como motores, generadores y transformadores.
  12. Óptimo diseño de redes eléctricas.
  13. Ruta más corta para un tours de visita turística de varias ciudades.
  14. Óptima producción, planeamiento, control y programación.
  15. Analisis de datos estadísticos y modelos empíricos de construcción desde resultados experimentales para obtener la mas cuidadosa representación de los fenómenos físicos.
  16. Óptimo diseño de equipos para procesos químicos y plantas.
  17. Diseño de óptimas redes de bombeo para procesos industriales.
  18. Selección de un lugar para una industria.
  19. Planeamiento del mantenimiento de equipamiento para reducir costos de operación.
  20. Control de inventario.
  21. Distribución de recursos o servicios entre varias actividades para maximizar el beneficio.
  22. Control óptimo de los tiempos de espera y de salida en las líneas de producción para reducir los costos.
  23. Planamiento de la mejor estrategia para obtener el máximo beneficio en la presencia de un competidor.
  24. Óptimo diseño de sistemas de control.
  25. Óptimas decisiones en el funcionamiento de redes eléctricas enmarcadas en lo que es Generación Distribuida (Smartgrid, Microgrid) lo que involucra además la mejor performance de los diferentes equipos y tecnologías involucradas que interactúan con variables medioambientales (como viento, radiación solar)  y parámetros de funcionamiento estocásticas. Siendo la toma de decisiones en en el mas corto tiempo considerando que se desea tener un control total incluido en los procesos transitorios electromagnético que duran pocos milisegundos y menos tiempo.

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Muchos de los problemas en ingeniería tienen que ver con ecuaciones diferenciales parciales… por lo general, en los cursos de pregrado, se suele utilizar el estudiar problemas en una dimensión, dado que en dos o en tres dimensiones el cálculo manual se complica y no brinda gran ventaja de visualización. Hay que también lidiar con cual técnica emplear y ver lo de los errores. Sin embargo, Matlab provee una valiosa herramienta que es el “pdetool”, se digita así en la Ventana de Comandos y listo. El Help de Matlab, da una gran información y ayuda al respecto, con algo de práctica y buen humor 🙂 el aprendizaje se hace rápido y de ahí ya queda al arte del programador.

La presente vista es una de las formas de salida que da ante este cálculo, se observa las líneas de flujo de dirección de calor en este arreglo ejemplo tomado del Help de Matlab.

Esta herramienta es muy útil, es conocer algo básico básico de ecuaciones diferenciales para enterder la forma como trabaja, además, podeis afrontar varios problemas como esfuerzos mecánicos, transferencia de calor, electrostatica, magnetismo, etc… tanto para 2D como para 3D…. tranquilos tranquilos !! esto se requiere paciencia y perseverancia en lograr un buen nivel.

El método que trabaja es por Método de Elementos Finitos que también da una explicación sobre ello. Os espero sirva. Pues se observa aplicaciones en los equipos de energia renovables: celdas solares, generadores eléctricos, piezas mecánicas en rozamiento, etc…


Una de las tecnologías más desarrolladas para el tratamiento de los residuos sólidos urbanos es la incineración mediante hornos de parrillas rotatorias, la cual es una de las tecnologías más avanzadas, desarrolladas e implementadas a nivel mundial.

En la figura se observa las diferentes etapas a través de la planta, así como la recolección de cenizas y los tratamientos de los gases de escape, en ambos casos, para hacer de toda esta instalación compatible con el medio ambiente, es decir, que se elimine en lo posible todos los elementos nocivos que causarían daño al medio ambiente.

La caldera debido a su alta capacidad de incineración tiene todo lo que es de una caldera compleja como son los recuperadores, etapa de sobrecalentamiento, etc… sin embargo, se dispone de información tanto en papers como en tesis de instalaciones de menor capacidad, en donde, se da a saber la forma de como calcularlo y dimensionarlo, es más, hay empresas que ya lo venden en paquete, es decir, que solo basta decir que tengo tanta de producción de residuos al día y un estudio de cómo están compuestos para que se dé un dimensionamiento de una planta de incineración de éste tipo.

Espero que os sirva y obviamente cada parte de esta instalación se puede simular en Matlab/Simulink asi como casos muy especiales y detallados de procesos de transferencia de calor, sistemas eléctricos, control, etc… best regards.


Se ha tratado y sigue tratando sobre este tema a nivel mundial. Es obvio que la extracción del subsuelo de carbono acumulado por millones de años para ser usado en la superficie de la Tierra es un hecho. Esto libera trabajo, calor y residuos al medio ambiente. Por los principios de la termodinámica y la transferencia de calor, obvio que esto modifica las condiciones del medio ambiente tanto en composición, balance energético, composición, etc.

Como se observa en la gráfica los últimos años se ha incrementado la emisiones de CO2. Que hay políticas mundiales para atenuar esto, claro. Pero estas también van en contra de los intereses de los que usan y queman combustibles fósiles: empresas, vehículos, fábricas, etc. Hay mucho dinero en juego y poco a poco, con gran esfuerzo se está logrando concientizar a los grandes emisores de CO2. A nivel de población, el uso de vehículos es una condición ahora casi necesaria para movilizarse en un gran ciudad. Pienso que en países desarrollados, el usuario lleva el cuidado necesario de su coche, pero en países no desarrollados, el usuario lleva con mucho descuido el cuidado y mantenimiento del vehículo… con tal que funcione! (dicen)

El incremento de la temperatura global ha llevado a la modificación de la flora y fauna, lugares helados ahora son sabanas, los glaciares van desapareciendo, la tundra se está descongelando lo que es perjudicial dado que tiene CO2 acumulado congelado como lo es la tundra pero con el incremento de la temperatura este CO2 escapará, los climas extremos lugares con olas de calor y otros con olas de frio, lluvias intensas y sequias no vistas antes… en fin, es un hecho y es necesario actuar pronto.


Serpentines

Los serpentines son unidades de transferencia de calor hechas de tubo liso o aleteado por los que circula un fluido en el interior de los tubos y otro se ubica dentro de un área confinada, estos equipos pueden verse comúnmente en ollas de calentamiento, contenedores de agua helada, calentadores de aire, enfriadores de aire, chaquetas de autoclaves,  etc.

La configuración de los serpentines es muy variada, aunque el principio establece que la unidad debe tener una longitud definida y el fluido entra y sale por el mismo tubo. Los serpentines suelen conseguirse en configuraciones helicoidales rectas en U, etc.

Evaporadores.

Los evaporadores son intercambiadores que se encargan de enfriar fluidos por un proceso de expansión de gas el cual circula a través del interior de los tubos y enfría el fluido que circula por la carcaza. Los evaporadores son equipos normalmente usados en los dispositivos de enfriamiento de agua tales como Chiller o para enfriamiento de gases o aire tal es el caso de los aires acondicionados. Su configuración puede estar dada en equipos de tubo coraza o flujo cruzado.

Condensadores

Se conoce como unidad condensadora a todo aquel intercambiador que cumple una función de disminución de temperatura, ya sea para gases, vapores u otros.

La configuración de un condensador puede ser de tubo coraza, placas y superficies extendidas. Los condensadores son generalmente equipos que se encuentran en los procesos de cambios de fase de gases a líquidos, los equipos de calefacción de líquidos con vapor son a su vez condensadores de vapor. En los ciclos de refrigeración los condensadores tienen la función de enfriar el gas refrigerante ya sea por flujo cruzado gas-aire o gas-agua.

Chiller

Las unidades Chiller están conformadas por dos elementos de transferencia de calor un evaporador y un condensador, además de los elementos clásicos del ciclo de refrigeración (compresor, válvula de expansión, filtros etc.) los Chiller son unidades que se encargan de enfriar agua para aplicaciones varias. Este proceso se realiza mediante la compresión de un gas refrigerante el cual sale comprimido de la bomba o compresor a una temperatura de aproximadamente 80°C , circula a través del compensador manteniendo la presión y bajando la temperatura a 40°C aproximadamente luego pasa por la válvula de expansión donde el gas se expande produciendo su enfriamiento, el gas circula dentro de los tubos del evaporador donde se genera la transferencia con el agua enfriándola hasta una temperatura que puede oscilar entre 1°C y 4°C  (o menos de acuerdo al control).

Torres de enfriamiento

Las torres de enfriamiento son unidades que se encargan de enfriar agua por un proceso de división de la partícula de agua y su posterior circulación por una corriente de aire forzado logrando reducir la temperatura de la gota de agua en el proceso. Estos sistemas tienen ventajas y desventajas bien marcadas. Las torres de enfriamiento son unidades abiertas donde el agua de un determinado proceso llega al tope de la torre a una temperatura máxima de 60°C, esta entra a los rociadores de tope que se encargan de separar él liquido en la mayor cantidad de partículas posibles, estas caen en un relleno ubicado a los lados de la torre donde establece un recorrido en contra flujo con un a columna de aire forzado, las partículas de agua recorren el relleno hasta enfriarse (1°C o 2°C por encima de la temperatura de la columna de aire) y llegan hasta la bandeja de fondo donde se retorna al proceso.

Las temperaturas máximas que manejan las torres de enfriamiento constituyen una limitante importante, así como la contaminación del agua de proceso por el contacto directo con el aire ambiental, los tratamientos de esta agua son por lo general costosos y requieren de mantenimientos constantes, sin embargo la posibilidad de enfriar grandes volúmenes de agua logra compensar sus debilidades.

Torres Evaporativas

Las torres de tipo evaporativas tienen un comportamiento similar al de las torres de enfriamiento, con la diferencia de que el agua de proceso se encuentra en un ciclo cerrado a través de un serpentín en el tope de la torre, produciéndose el enfriamiento del agua de proceso por intermedio del rociado de agua sobre la superficie del serpentín acompañado de aire forzado, el agua cae al fondo de la tina y es nuevamente bombeado al tope de la torre para volver a cumplir el proceso.

Una de las ventajas de estos equipos es que el agua de proceso se contamina muy poco ya que se encuentra en un ciclo cerrado, sin embargo su costo es sustancialmente superior al de las torres de enfriamiento.

Calentadores de agua

Los calentadores de vapor son por lo general intercambiadores de tubo coraza por los que circula vapor por la coraza y agua o gas por el interior de los tubos, existen también calentadores de aceite térmico y de resistencia eléctrica.

After cooler – pre cooler

Estos equipos son utilizados normalmente en unidades de compresión de aire ya sean de una o varias etapas. Por lo general los compresores de aire de una etapa poseen un intercambiador a la salida de aire comprimido de tipo tubo coraza agua-aire o flujo cruzado aire-aire, estos equipos son conocidos como after cooler o post enfriadores su función es bajar la temperatura del aire comprimido hasta niveles idóneos de trabajo dentro de la planta. Los pre-cooler son equipos utilizados en compresores de múltiples etapas para enfriar el aire que sale de una etapa y entra en la siguiente, por lo general estos son de tubo coraza.

Fin fan cooler

Estos equipos están compuestos de una unidad de flujo cruzado con un ventilador alineado a la superficie plana del intercambiador con la finalidad de hacer circular aire a través de la tubería aletada y enfriar el fluido que corre por dentro de los tubos.


Aún cuando la variedad de intercambiadores existentes en los múltiples procesos industriales imposibilita describir un mantenimiento específico para todos los equipos intertaré resumir las directrices que definen un mantenimiento efectivo en la mayoría de los casos.

La finalidad de un mantenimiento radica en la eliminación de los depósitos que obstruyen o imposibilitan la correcta transferencia en los intercambiadores, estas suelen producirse por deposición de los sólidos en las paredes externas de los tubos, en las paredes internas de los tubos, así como en la superficie interna de la coraza, esto para el caso de los intercambiadores de tubo coraza, en los intercambiadores de placa esta incrustación se presenta entre las láminas dificultando la transferencia de calor entre los fluidos, además de ofrecer restricciones a la circulación de estos equipos.

Las técnicas varían dependiendo del tipo de incrustación y de la configuración de los intercambiadores, así un intercambiador de placas fijas debe aplicarse una limpieza por intermedio de cepillos o alta presión por el interior de los tubos y por su configuración de área confinada para la carcaza una limpieza química que permita disolver por intermedio de la circulación la mayor cantidad de sólidos adheridos a la superficie.

Los químicos comúnmente utilizados para la desincrustación de áreas confinadas suelen variar de acuerdo al material de construcción del equipo, así como el fluido que maneja el intercambiador, en el caso de agua o vapor, se utilizan desincrustantes que pueden contener ácidos fuertes o débiles dependiendo del material de contrucción del intercambiador, por ejemplo para intercambiadores de calor construidos en acero al carbono o acero inoxidable, pueden utilizarse productos basándose en ácido clorhídrico, fosfórico, cítrico y otra formulación que permita disover los minerales producto de las deposiciones del agua o del vapor estén presentes en el intercambiador, es importante señalar que estos productos deben ser formulados, tomando en consideración las posibles consecuencias de la acción del químico sobre los materiales de construcción.

Para intercambiadores de haz removible o de tubería en u el proceso se simplifica bastante ya que la posibilidad de extraer el intercambiador de la coraza permite actuar directamente sobre la superficie externa e interna del tubo, así como acceso directo al interior de la coraza. El mantenimiento puede realizarse por intermedio de cepillos de alambre circulares mechas o latiguillo de alta presión en el interior de los tubos y alta presión por el lado externo de la tubería. La coraza puede limpiarse con elementos mecánicos o presión de agua.

Para el caso de los intercambiadores de placa, dependiendo de su estado pueden limpiarse con químicos desincrustantes en el caso de agua o desengrasante para el caso de aceites, en caso de encontrarse defectos en el sistema de sellos de estos equipos es recomendable sustituir las empacaduras entre placas y limpiar placa a placa con químicos y agua a presión.

Para el caso de intercambiadores de flujo cruzado se procede de forma similar con el interior de los tubos de acuerdo al acceso que posea el equipo, (tapas removibles o agujeros de limpieza) mientras que el área de superficie extendida se limpia con agentes químicos adecuados para el material adicionando agua de alta presión.

Para equipos involucrados dentro de los procesos tales como agua helada, condensadores de gases, serpentín de inmersión y otros es importante estudiar las condiciones de proceso para establecer el mantenimiento correcto que debe aplicarse, siempre tomando en consideración que la finalidad del mantenimiento es la de liberar de incrustaciones de las superficies de contacto de los fluidos para la optimización de la transferencia de calor.

Implicaciones de un mantenimiento en intercambiadores de calor

Para cualquier equipo de transferencia de calor, el hecho de que trabaje con niveles elevados de incrustaciones o con superficies totalmente obstruidas, puede resultar en paradas de proceso imprevistas, o en su defecto una drástica disminución de las condiciones iniciales de transferencia de diseño, por lo que una política de mantenimiento en estos equipos redunda en beneficios ulteriores económicos importantes.

Los equipos de transferencia de calor son sensibles a las deposiciones de sólidos y a las obstrucciones, dado que la superficie de los tubos y carcaza son por lo general porosas, pueden producir fuerte adherencia de sólidos y posteriores socavaduras y corrosión en los materiales. Las deposiciones de agua dura producen corrosión puntual o pitting, así como abrasión de la superficie del material, otra grave consecuencia que puede presentarse en los equipos, sobre todo en los de área confinada, o placas fijas es que los depósitos de agua dura llegan a un punto de cristalización que imposibilita la acción de los químicos, produciendo perdida completa del equipo. En el caso de equipos en u las incrustaciones de agua dura dentro de los tubos pueden ser removida por mechas en la zona recta del tubo, sin embargo en las curvas esto se hace imposible, para el caso de equipos con tubería de diámetros superiores a ¾ es posible introducir un latiguillo de alta presión, aunque en la mayoría de los casos los resultados no son muy satisfactorios.


El ensuciamiento se refiere a cualquier capa o depósito de materias extrañas en una superficie de transferencia de calor, comúnmente estos materiales tienen baja conductividad térmica (son malos conductores de calor y entorpecen la transferencia de calor), lo que provoca una mayor resistencia a la transferencia de calor. En los equipos de transferencia se producen varios tipos diferentes de ensuciamiento. La sedimentación es deposición de materiales finamente divididos, a partir del fluido del proceso. La formación de escamas se debe, con frecuencia, a la cristalización de un material cuya solubilidad, a la temperatura de la pared del tubo, es más baja que a la temperatura promedio del fluido. Muchas corrientes de proceso reaccionan y el material resultante, menos soluble, se deposita en la superficie como una película, con frecuencia de una resistencia y espesor considerable. Los productos de la corrosión pueden oponer una resistencia importante a la transferencia de calor. Los crecimientos biológicos, como las algas, constituyen un problema grave en muchas corrientes de agua de enfriamiento y en la industria de la fermentación.

Retiro de depósitos de suciedad

El retiro químico de la suciedad se puede lograr en algunos casos con ácidos débiles, disolventes especiales, etc. Otros depósitos se adhieren con debilidad y se pueden lavar mediante el funcionamiento periódico a velocidad muy altas o un enjuague con un chorro de agua, una lechada de agua y arena o vapor de alta velocidad. Estos métodos se pueden aplicar tanto al lado de la coraza como el de los tubos sin retirar el haz de tubos. Sin embargo la mayor parte de los depósitos se pueden retirar mediante una acción mecánica positiva, como la introducción de una varilla, la acción de una turbina o el raspado de la superficie. Estas técnicas se pueden aplicar  del lado de los tubos sin sacar el haz de tubos, pero en el lado de la coraza sólo se puede hacer esto después de retirar el haz, e incluso entonces, esto será con éxito limitado, debido a la cercanía de los tubos.


Existen intercambiadores de tipo de placa en varias formas: en espiral, de placa (y armazón) de aleta con placa soldada y de aleta con placa y tubo.

Intercambiadores de placa en espiral.

El intercambiador de placa en espiral se hace con un par de placas laminadas para proporcionar dos pasos rectangulares relativamente largos para los fluidos en flujo en contracorriente. La trayectoria continua elimina la inversión del flujo (y la caída consiguiente de la presión), las desviaciones y problemas de dilataciones. los sólidos se pueden mantener en suspensión. Se produce turbulencia con una velocidad de flujo más baja que en el caso de los tubos rectos.

El diseño en espiral es compacto si se toma en cuenta que puede proporcionar 167 m2 (1800 pie2) de superficie de transferencia de calor en una unidad de 1.4 m (56 plg) de diámetro. La espiral tiene, generalmente, una altura de 1.5 m (60 plg).

Los intercambiadores de calor se pueden diseñar para presiones de hasta 150 psi (10.2 atm). Los materiales de construcción incluyen el acero al carbono, acero inoxidable de los tipos 304, 316 y 430F, aleación 20, Inconel, metal monel, níquel, Hastelloy B y C, Everdur y titanio.

Intercambiadores de placa y armazón

Los intercambiadores de placa y armazón consiste en placas estándares, que sirven como superficies de transferencia de calor y un armazón para su apoyo. La caída de presión es baja y resulta imposible que haya fugas de fluidos.

Las placas estándares de transferencia de calor (normalmente de acero inoxidable de los tipos 304 y 316, pero también de titanio, níquel, metal monel, Incoloy 825, Hastelloy C, bronce al fósforo y cuproníquel también están disponibles), comprimidas en una pieza simple de material de 1.3 a 6.4 mm (0.05 a 0.125 plg), tiene estrías para recibir empaques de goma (elastómero). El diseño corrugado de las placas les da rigidez, formenta la turbulencia de los fluidos y asegura la distribución completa del flujo. Los miembros de soporte y armazón existen en acero inoxidable recubiertos o acero dulce esmaltados. Las placas se pueden limpiear y reemplazar con facilidad. El área se ajusta con facilidad mediante la adición o eliminación de placas.

Cuando se especifica una construcción de lado del tubo de acero inoxidable o para servicios múltiples, el tipo de placa compite con el diseño tubular. Si se requiere una construcción total de acero inoxidable, el tipo de placa es menos costoso que las unidades tubulares.

El límite superior de un intercambiador de calor de placa estándar se señala que es de 650 m2 (7000 pie2) de superficie de transferencia de calor. De modo que una mida 1.1 m (4.2 pie) de ancho por 4.2 m (13.8 pies) de longitud, por 2.8 m (3.1 pies) de altura con 400 placas.

Intercambiadores de calor de aleta con soldadura fuerte

Los intercambiadores de aleta y placa de aluminio se emplean en la industria de la elaboración, sobre todo en servicios por debajo de -45.6°C (-50°F) y en los procesos de separación de gas que funcionan entre 204 y -268°C (400 y -450°F).

La superficie de transferencia de calor de aleta y placa se compone de una pila de placas, cada una de las cuales consiste en una aleta corrugada entre láminas metálicas planas, selladas en los dos lados mediante canales o barras, para formar un paso para el flujo del fluido.