Fundamentos y Clasificación de Equipos Térmicos: Intercambiadores, Calderas y Fluidos

Conceptos Fundamentales en Transferencia de Calor

La transferencia de calor es un proceso esencial en diversas aplicaciones industriales y energéticas. A continuación, se definen los principales equipos y conceptos relacionados:

Tipos de Equipos de Intercambio de Calor

• Intercambiador de calor: Dispositivo que se encarga de transferir calor entre dos o más fluidos mediante superficies de contacto, sin que estos se mezclen directamente.
• Calentador: Equipo donde el fluido entra en un estado y sale en el mismo estado, pero con una temperatura superior.
• Enfriador: Equipo donde el fluido entra en un estado y sale en el mismo estado, pero con una temperatura inferior.
• Condensador: Dispositivo en el que el fluido entra en fase gaseosa y sale en fase líquida, con una temperatura menor, debido a la liberación de calor latente.
• Evaporador: Equipo donde el fluido entra en fase líquida y sale en fase gaseosa con una temperatura mayor, absorbiendo calor latente. (El líquido puede ser agua, refrigerante o aceite).
• Generador de vapor: Recipiente, comúnmente una caldera, diseñado para producir vapor. Su aplicación se limita a fluidos como el agua.
• Recalentador: Componente que calienta el fluido hasta una temperatura igual o menor a la inicial (temperatura de caldera). Funciona exclusivamente con agua.
• Sobrecalentador: Componente que eleva la temperatura del fluido por encima de la temperatura inicial (temperatura de llama). Funciona exclusivamente con agua.

Nota: En el ciclo de Hirn, el primer componente es un sobrecalentador y el segundo es un recalentador.

Formas de Transmitir Calor

Las principales formas de transmisión de calor son:

• Conducción: Transferencia de energía a través del contacto directo entre partículas.
• Radiación: Transferencia de energía mediante ondas electromagnéticas.
• Convección: Transferencia de energía a través del movimiento de fluidos.

Fluidos de Trabajo en Sistemas Térmicos

La elección del fluido de trabajo es crucial para la eficiencia y el rendimiento de los sistemas de transferencia de calor. A continuación, se comparan el aire y el agua:

Aire como Fluido de Intercambio

Ventajas:

• Se consigue libremente y es abundante.
• Poco corrosivo.
• Bajos costos operativos.
• No contamina el medio ambiente.
• Bajo costo de mantenimiento.

Desventajas:

• No enfría a temperaturas muy bajas.
• Afecta el clima estacional (dependencia de la temperatura ambiente).
• Bajo coeficiente de transmisión de calor.
• Requiere grandes superficies de intercambio para ser efectivo.

Agua como Fluido de Intercambio

Ventajas:

• Enfría a temperaturas más bajas y de manera más eficiente.
• Requiere menor área de intercambio.
• Menos susceptible a los cambios de temperatura ambiente.
• Permite diseños más compactos y cercanos a otros equipos.

Desventajas:

• Altos costos iniciales de instalación.
• Puede contaminarse y requerir tratamiento.
• Es corrosiva para ciertos materiales.
• Puede ser escasa en algunas regiones.
• Sujeta a restricciones geográficas y de suministro.

Clasificación de Generadores de Vapor (Calderas)

Los generadores de vapor, o calderas, se clasifican principalmente en humotubulares y acuatubulares, cada una con sus propias características:

Calderas Humotubulares (Pirotubulares)

Ventajas:

• Bajo costo inicial.
• Mayor flexibilidad (capacidad de entregar vapor de cualquier tipo).
• Fácil inspección y limpieza.
• No necesita agua de gran pureza.

Desventajas:

• Mayor tamaño y ocupación de espacio.
• Peligrosas a altas presiones debido al gran volumen de agua.
• Gran volumen de agua en el sistema.
• Puesta en marcha muy lenta.

Calderas Acuatubulares

Ventajas:

• Menor peso por unidad de potencia.
• Rápida puesta en marcha.
• Utilizadas eficientemente en altas presiones.
• Más eficientes en la transferencia de calor.

Desventajas:

• No son flexibles en cuanto a la calidad del vapor.
• Mayor costo de mantenimiento.
• Requieren agua de gran pureza para evitar incrustaciones y corrosión.