Un intercambiador de calor es cualquier dispositivo utilizado para transferir calor de un lquido procesado a otro. Los Intercambiadores de Calor pueden ser clasificados en tres categoras importantes:

1.- Regeneradores: Los regeneradores son intercambiadores en donde un fluido caliente fluye a travs del mismo espacio seguido de uno fro en forma alternada, con tan poca mezcla fsica como sea posible entre las dos corrientes.

Las propiedades del material superficial, junto con las propiedades de flujo y del fluido de las corrientes fluidas, y con la geometra del sistema, son cantidades que deben conocer para analizar o disear los regeneradores.

2.- Intercambiadores de tipo abierto: Son dispositivos en los que las corrientes de fluido de entrada fluyen hacia una cmara abierta, y ocurre una mezcla fsica completa de las corrientes. Las corrientes caliente y fra que entran por separado a este intercambiador salen mezcladas en una sola. El anlisis de este tipo de intercambiadores, involucra la ley de la conservacin de la masa y la primera ley de la termodinmica.

3.- Intercambiadores de tipo cerrado o recuperadores: Los intercambiadores de tipo cerrado son aquellos en los cuales ocurre transferencia de calor entre dos corrientes fluidas que no se mezclan o que no tienen contacto entre si. La transferencia de calor ocurre por conveccin, desde el fluido ms caliente a la superficie slida, por conduccin a travs del slido y de ah por conveccin desde la superficie slida al fluido ms fro.

Tipos de Intercambiadores

Tenemos cuatro tipos de configuraciones ms comunes en la trayectoria del flujo:

En la distribucin de flujo en paralelo, los fluidos caliente y fro, entran por el mismo extremo del intercambiador, fluyen a travs de l en la misma direccin y salen por el otro extremo.

En la distribucin en contracorriente, los fluidos caliente y fro entran por los extremos opuestos del intercambiador y fluyen en direcciones opuestas.

En la distribucin en flujo cruzado de un solo paso, un fluido se desplaza dentro del intercambiador perpendicularmente a la trayectoria del otro fluido.

En la distribucin en flujo cruzado de paso mltiple, un fluido se desplaza transversalmente en forma alternativa con respecto a la otra corriente de fluido

Clasificacin de los intercambiadores de calor de superficie

Los intercambiadores de flujos paralelos, se utilizan generalmente para el intercambio trmico lquido-lquido, mientras que los de flujos cruzados se utilizan generalmente en el intercambio lquido-gas.

Intercambiadores de calor tubulares

El cambiador indirecto ms simple es el cambiador de tubos concntricos; consta de dostuberas concntricas, una en el interior de la otra, circulando los dos fluidos por el espacio anular y por la tubera interior. Los flujos pueden ser en el mismo sentido (corrientes paralelas) o en sentido contrario (contracorriente).

Transmisin de calor por conduccin

La conduccin es la forma en que tiene lugar la transferencia de energa a escala molecular. Cuando las molculas absorbenenerga trmicavibran sin desplazarse, aumentando la amplitud de la vibracin conforme aumenta el nivel de energa. Esta vibracin se transmite de unas molculas a otras sin que tenga lugar movimiento alguno de traslacin. En la transmisin de calor por conduccin no hay movimiento de materia. La conduccin es el mtodo ms habitual de transmisin de calor en procesos de calentamiento/enfriamiento de materiales slidos opacos. Si existe una gradiente de temperatura en un cuerpo, tendr lugar una transmisin de calor desde la zona de alta temperatura hacia la que est a temperatura ms baja. El flujo de calor ser proporcional al gradiente de temperatura.

Transmisin de calor por conveccin

Cuando un fluido circula alrededor de un slido, por ejemplo por el interior de una tubera, si existe una diferencia de temperatura entre ambos, tiene lugar un intercambio de calor entre ellos. Esta transmisin de calor se debe al mecanismo de conveccin. El calentamiento y enfriamiento de gases y lquidos son los ejemplos ms habituales de transmisin de calor por conveccin. Dependiendo de si el flujo del fluido es provocado artificialmente o no, se distinguen dos tipos: forzada y libre (tambin llamadanatural). La conveccin forzada implica el uso de algn medio mecnico, como una bomba o unventilador, para provocar el movimiento del fluido. Ambos mecanismos pueden provocar un movimiento laminar o turbulento del fluido.

Importancia del aislamiento en la disminucin de las prdidas de calor en los equipos

Los equipos para el procesamiento de alimentos se suelen aislar para minimizar las prdidas de calor hacia el entorno. Si no se aslan, los equipos pueden tener prdidas de calor por cualquiera de los tres mecanismos de transmisin de calor: conduccin, conveccin o radiacin. Las prdidas de calor por conduccin a travs del aire sern pequeas debido a su bajaconductividad(kaire=0.0258 W/m.K a 30C). Las prdidas de calor por conveccin sern las ms importantes, pues las corrientes de conveccin se desarrollarn fcilmente si existe una diferencia de temperatura entre el cuerpo y su entorno. Es necesario aislar para disminuir el flujo de calor entre un objeto y sus alrededores. El material aislante debe tener baja conductividad trmica y capacidad para frenar las corrientes de conveccin. Los materiales ms utilizados para aislar incluyen elcorcho, lamagnesia, lalanadevidrioy elpoliestireno expandido. En el pasado se utiliz mucho elasbestopor sus buenas propiedades aislantes, pero la fibra de asbestos se mostr causante delcncery ya no se utiliza. Actualmente se fabrican piezas de magnesia y otros aislantes de fcil instalacin sobre tuberas y otros equipos.

Conveccin:

La conveccin se refiere al flujo de calor asociado con el movimiento de un fluido, tal como cuando el aire caliente de un horno entra a una habitacin, o a la transferencia de calor de una superficie caliente a un fluido en movimiento. El segundo significado es ms importante para las operaciones unitarias, de forma que incluye la transferencia de calor a partir de paredes metlicas, partculas solidas y superficies liquidas. Por lo general, el flujo convectivo por unidad de aire es proporcional a la diferencia entre la temperatura de la superficie y la temperatura del fluido, como establece en la ley de Newton de enfriamiento.

A diferencia de la conductividad trmica, el coeficiente de transferencia de calor no es una propiedad intrnseca del fluido, sino que depende tanto de los patrones de flujo determinados por la mecnica de fluidos como de las propiedades trmicas del fluido.

Si:

El calor ser transferido del fluido a la superficie.

Conveccin natural y forzada:

Cuando las corrientes en fluido son consecuencia de las fuerzas de flotacin generadas por diferencias de densidad, que a su vez se originan por gradientes de temperatura en la masa del fluido, la accin recibe el nombre de conveccin natural. Cuando las corrientes se deben a un dispositivo mecnico tal como una bomba o agitador, el flujo es independiente de las diferencias de densidad y recibe el nombre de conveccin forzada. Las fuerzas de flotacin tambin existen en la conveccin forzada, pero por lo general solo tienen un pequeo efecto.

Laconductividad trmicaes unapropiedad fsicade los materiales que mide la capacidad deconduccin de calor. En otras palabras la conductividad trmica es tambin la capacidad de una sustancia de transferir laenerga cinticade sus molculas a otras molculas adyacentes o a sustancias con las que no est en contacto. En elSistema Internacional de Unidadesla conductividad trmica se mide enW/(Km) (equivalente aJ/(sKm) )La conductividad trmica es unamagnitud intensiva. Su magnitud inversa es laresistividad trmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor. Para un material istropo la conductividad trmica es un escalar(ken Estados Unidos) definido como:

donde:

, es el flujo de calor (por unidad de tiempo y unidad de rea).

, es elgradientede temperatura.

Una conductividad trmica de 1 vatio por metro y kelvin indica que una cantidad de calor de unjulio(J) se propaga a travs de un material por conduccin trmica:

en 1 segundo,

por una superficie de 1 m2,

por un grosor de 1 m,

cuando la diferencia de temperatura entre las dos caras es de 1 K.

Cuanto mayor sea su conductividad trmica, un material ser mejor conductor del calor. Cuanto menor sea, el material ser ms aislante. Por ejemplo, el cobre tiene una conductvidad de 380 vatios por kelvin y metro, y es ms de 10000 veces mejor conductor del calor que el poliuretano (0,035 vatios por kelvin y metro).

.2. Conveccin

La conveccin es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque sta se produce a travs del desplazamiento de partculas entre regiones con diferentes temperaturas. La conveccin se produce nicamente en materiales fluidos. stos al calentarse disminuyen su densidad y ascienden al ser desplazados por las porciones superiores que se encuentran a menor temperatura. Lo que se llama conveccin en s, es al transporte de calor por medio de las parcelas de fluido ascendente y descendente.

La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscpicos de porciones calientes y fras de un gas o un lquido. Se incluye tambin el intercambio de energa entre una superficie slida y un fluido. bomba, un ventilador u otro dispositivo mecnico.

En la transferencia de calor libre o natural en la cual un fluido es ms caliente o ms fro y en contacto con una superficie slida, causa una circulacin debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido.

La transferencia de calor por conveccin se modela con la Ley del Enfriamiento de Newton:

Donde h es el coeficiente de conveccin ( coeficiente de pelcula), As es el rea del cuerpo en contacto con el fluido, Ts es la temperatura en la superficie del cuerpo y es la temperatura del fluido lejos del cuerpo.

2.2.1 El coeficiente de pelcula o coeficiente de conveccin, representado habitualmente como h, cuantifica la influencia de las propiedades del fluido, de la superficie y del flujo cuando se produce transferencia de calor por conveccin.

La transferencia de calor por conveccin se modela con la Ley del Enfriamiento de Newton:

donde h es el coeficiente de pelcula, As es el rea del cuerpo en contacto con el fluido, Ts es la temperatura en la superficie del cuerpo y es la temperatura del fluido lejos del cuerpo.