Condensador (transferencia de calor)

En los sistemas de transferencia de calor , un condensador es un intercambiador de calor que se utiliza para condensar una sustancia gaseosa a estado líquido mediante enfriamiento. Al hacerlo, la sustancia libera el calor latente y lo transfiere al ambiente circundante. Los condensadores se utilizan para la disipación eficiente del calor en muchos sistemas industriales. Se pueden fabricar con diversos diseños y en una amplia gama de tamaños, desde unidades portátiles hasta unidades industriales de gran tamaño utilizadas en procesos de plantas. Por ejemplo, un refrigerador utiliza un condensador para disipar el calor extraído de su interior hacia el exterior.

Los condensadores se utilizan en sistemas de aire acondicionado , procesos químicos industriales como la destilación , centrales termoeléctricas y otros sistemas de intercambio de calor. El uso de agua de refrigeración o aire ambiente como refrigerante es común en muchos condensadores. ^{[ 1 ]}

Historia

El primer condensador de laboratorio, un " Gegenstromkühler " (condensador de contracorriente), fue inventado en 1771 por el químico sueco-alemán Christian Weigel . ^{[ 2 ]} A mediados del siglo XIX, el químico alemán Justus von Liebig introdujo mejoras en los diseños anteriores de Weigel y Johann Friedrich August Göttling , y el dispositivo pasó a conocerse como el condensador de Liebig . ^{[ 3 ]}

Principio de funcionamiento

Un condensador está diseñado para transferir calor de un fluido de trabajo (por ejemplo, agua en una central termoeléctrica) a un fluido secundario o al aire circundante. El condensador se basa en la eficiente transferencia de calor que se produce durante los cambios de fase, en este caso durante la condensación de un vapor en un líquido. El vapor suele entrar en el condensador a una temperatura superior a la del fluido secundario. A medida que el vapor se enfría, alcanza la temperatura de saturación , se condensa en líquido y libera grandes cantidades de calor latente . A medida que este proceso se produce a lo largo del condensador, la cantidad de vapor disminuye y la de líquido aumenta; a la salida del condensador, solo queda líquido. Algunos diseños de condensadores incluyen una longitud adicional para subenfriar este líquido condensado por debajo de la temperatura de saturación. ^{[ 4 ]}

Existen innumerables variaciones en el diseño de condensadores, con variables de diseño que incluyen el fluido de trabajo, el fluido secundario, la geometría y el material. Los fluidos secundarios comunes incluyen agua, aire, refrigerantes o materiales de cambio de fase .

Los condensadores presentan dos ventajas de diseño significativas con respecto a otras tecnologías de refrigeración:

La transferencia de calor por calor latente es mucho más eficiente que la transferencia de calor únicamente por calor sensible .
La temperatura del fluido de trabajo se mantiene relativamente constante durante la condensación, lo que maximiza la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el fluido secundario.

Ejemplos de condensadores

Condensador de superficie

Un condensador de superficie es aquel en el que el medio de condensación y los vapores están físicamente separados y se utiliza cuando no se desea el contacto directo. Es un intercambiador de calor de carcasa y tubos instalado a la salida de cada turbina de vapor en las centrales térmicas . Generalmente, el agua de refrigeración fluye por el lado de los tubos y el vapor entra por el lado de la carcasa, donde se produce la condensación en la superficie exterior de los tubos de transferencia de calor. El condensado gotea y se acumula en la parte inferior, a menudo en una bandeja integrada llamada pozo caliente . El lado de la carcasa suele operar al vacío o al vacío parcial, debido a la diferencia de volumen específico entre el vapor y el condensado. Por el contrario, el vapor puede alimentarse a través de los tubos con el agua de refrigeración o el aire fluyendo por la superficie exterior.

Química

En química , un condensador es el aparato que enfría vapores calientes , provocando su condensación en líquido . Algunos ejemplos son el condensador de Liebig , el condensador de Graham y el condensador de Allihn . No debe confundirse con una reacción de condensación , que une dos fragmentos para formar una sola molécula mediante una reacción de adición y una reacción de eliminación.

En la destilación de laboratorio , el reflujo y los evaporadores rotatorios , se utilizan comúnmente varios tipos de condensadores. El condensador Liebig es simplemente un tubo recto dentro de una camisa de agua de refrigeración y es la forma más simple (y relativamente menos costosa) de condensador. El condensador Graham es un tubo en espiral dentro de una camisa de agua, y el condensador Allihn tiene una serie de constricciones grandes y pequeñas en el tubo interior, cada una de las cuales aumenta el área de superficie sobre la cual los componentes del vapor pueden condensarse. Debido a que sus formas son más complejas de fabricar, estos últimos tipos también son más caros de adquirir. Estos tres tipos de condensadores son artículos de vidrio de laboratorio , ya que generalmente están hechos de vidrio. Los condensadores disponibles comercialmente suelen estar equipados con juntas de vidrio esmerilado y vienen en longitudes estándar de 100, 200 y 400 mm. Los condensadores enfriados por aire no tienen camisa, mientras que los condensadores enfriados por agua contienen una camisa para el agua.

destilación industrial

Los condensadores de mayor tamaño también se utilizan en procesos de destilación a escala industrial para enfriar el vapor destilado y convertirlo en destilado líquido. Generalmente, el refrigerante fluye por el lado de los tubos y el vapor destilado por el lado de la carcasa, mientras que el destilado se acumula en la parte inferior o sale por ella.

Aire acondicionado

Una unidad condensadora utilizada en sistemas de aire acondicionado central generalmente cuenta con un intercambiador de calor para enfriar y condensar el vapor refrigerante entrante, un compresor para aumentar la presión del refrigerante y hacerlo circular, y un ventilador para soplar aire exterior a través del intercambiador de calor y enfriar el refrigerante en su interior. Una configuración típica de dicha unidad condensadora es la siguiente: El intercambiador de calor rodea los laterales de la unidad, con el compresor en su interior. En este intercambiador de calor, el refrigerante pasa a través de múltiples conductos, rodeados de aletas de transferencia de calor que permiten la circulación de aire de refrigeración desde el exterior hacia el interior de la unidad. Esto también aumenta la superficie de contacto. Dentro de la unidad condensadora, cerca de la parte superior, se encuentra un ventilador motorizado cubierto por una rejilla para evitar que objetos caigan accidentalmente sobre él. El ventilador se utiliza para aspirar el aire de refrigeración exterior a través del intercambiador de calor por los laterales y expulsarlo por la parte superior a través de la rejilla. Estas unidades condensadoras se ubican en el exterior del edificio que se desea enfriar, con tuberías que conectan la unidad con el edificio: una para la entrada del refrigerante en fase gaseosa y otra para la salida del refrigerante líquido. Por supuesto, se requiere alimentación eléctrica para el compresor y el ventilador dentro de la unidad.

Contacto directo

En un condensador de contacto directo , el vapor caliente y el líquido frío se introducen en un recipiente y se mezclan directamente, en lugar de estar separados por una barrera como la pared de un tubo de intercambiador de calor. El vapor libera su calor latente y se condensa en líquido, mientras que el líquido absorbe este calor y experimenta un aumento de temperatura. El vapor y el líquido que entran suelen contener una sola sustancia condensable, como un chorro de agua utilizado para enfriar el aire y regular su humedad.

Ecuación

Para un condensador ideal de paso único cuyo refrigerante tiene densidad constante, capacidad calorífica constante, entalpía lineal en todo el rango de temperaturas, transferencia de calor transversal perfecta y transferencia de calor longitudinal nula, y cuya tubería tiene perímetro constante, espesor constante y conductividad térmica constante, y cuyo fluido condensable está perfectamente mezclado y a temperatura constante, la temperatura del refrigerante varía a lo largo de su tubo según:

$\Theta (x)={\frac {T_{H}-T(x)}{T_{H}-T(0)}}=e^{-NTU}=e^{-{\frac {hPx}{{\dot {m}}c}}}=e^{-{\frac {Gx}{{\dot {m}}cL}}}$

dónde:

$x$ es la distancia desde la entrada del refrigerante
$T(x)$ es la temperatura del refrigerante y T (0) la temperatura del refrigerante en su entrada.
$T_{H}$ es la temperatura del fluido caliente
$NTU$ es el número de unidades de transferencia
$m$ es el caudal másico (u otro) del refrigerante
$c$ es la capacidad calorífica del refrigerante a presión constante por unidad de masa (u otra)
$h$ es el coeficiente de transferencia de calor del tubo refrigerante
$P$ es el perímetro del tubo de refrigerante
$G$ es la conductancia térmica del tubo de refrigeración (a menudo denotada $UA$ )
$L$ es la longitud del tubo de refrigerante

Véase también

Referencias

↑ Hindelang, Man jjhat; Palazzolo, Joseph; Robertson, Matthew, "Condensadores", Enciclopedia de Equipos de Ingeniería Química , Universidad de Michigan , archivado del original el 24 de diciembre de 2012
↑ Weigel, Christian Ehrenfried (1771). Christian Ehrenfried Weigel, Volumen 1 (en latín). Goettingae ( Gotinga ): Aere Dieterichiano. págs . 8–11 . Consultado el 16 de septiembre de 2019 .
↑ Liebig, Justus von ; Poggendorff, JC ; Wöhler, el P. (eds.) (1842), Handwörterbuch der reinen und angewandten Chemie [Diccionario de química pura y aplicada], vol. 2 (en alemán). Braunschweig , Alemania: Friedrich Vieweg und Sohn . Artículo: "Destilación", págs. 526–554.
↑ Kays, WM; Londres, AL (enero de 1984), "Condensadores", Intercambiadores de calor compactos , OSTI, OSTI 6132549

[chemengenc-1] Hindelang, Man jjhat; Palazzolo, Joseph; Robertson, Matthew, "Condensadores", Enciclopedia de Equipos de Ingeniería Química , Universidad de Michigan , archivado del original el 24 de diciembre de 2012

[2] Weigel, Christian Ehrenfried (1771). Christian Ehrenfried Weigel, Volumen 1 (en latín). Goettingae ( Gotinga ): Aere Dieterichiano. págs . 8–11 . Consultado el 16 de septiembre de 2019 .

[3] Liebig, Justus von ; Poggendorff, JC ; Wöhler, el P. (eds.) (1842), Handwörterbuch der reinen und angewandten Chemie [Diccionario de química pura y aplicada], vol. 2 (en alemán). Braunschweig , Alemania: Friedrich Vieweg und Sohn . Artículo: "Destilación", págs. 526–554.

[compactHX-4] Kays, WM; Londres, AL (enero de 1984), "Condensadores", Intercambiadores de calor compactos , OSTI, OSTI 6132549

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