Tobera: Dispositivos de Ingeniería de flujo permanente

Industriales. Tipos. Motor cohete termoquímico. Difusores. Turbinas. Compresores. Válvulas de estrangulamiento. Cámara de mezclas

  • Enviado por: Ingrid Ramírez
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 39 páginas

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  • TOBERAS

  • Una tobera de rociada o boquilla pulverizadora es un dispositivo empleado para dividir un liquido en gotitas. Las aplicaciones de estas toberas son numerosas y variadas, y en consecuencia, se emplea un gran numero de modelos. Todas las toberas de rociada pueden clasificarse en alguno de los tipos siguientes:

    • Toberas de presión

    • Toberas giratorias o rotativas

    • Toberas atomizadoras por gas

  • Toberas de Presión

  • En las que el liquido esta a presión y se divide por su inherente estabilidad y su choque con la atmósfera, o bien por su choque con otro chorro o con una placa fija.

    Las toberas de presión son e general relativamente sencillas, pequeñas y poco costosas y consumen por lo general menos potencia que otros tipos. Pueden emplearse con todos los líquidos que contengan una viscosidad menor que unos 300 a 500 seg. Saybolt y que no contengan partículas sólidas mayores que los pasajes de la tobera.

  • Toberas de cono hueco

  • Las toberas de presión tienen un campo de aplicación muy vasto y se encuentran en el comercio en una gran variedad de modelos y tamaños. La mas común es la llamada de cono hueco y en ella se alimenta el liquido a una cámara por pasajes tangenciales o por una espiral fija, de modo que adquieran rápido movimiento de rotación. El orificio esta colocado en el eje de la cámara de remolinos y el liquido sale en una lamina con forma de cono hueco que luego se divide en gotas. En la figura 1.1.1. se representan tres modelos de estas toberas. Dichas toberas se construyen con orificios de 0.5 mm (0.02'') a 51 mm (2'') de diámetro, con gastos de derrame correspondientes de 0.038 a mas de 760 l/min. Los tamaños mayores se emplean para los estanques de enfriamiento, para lavar grava y arena, airear agua, etc., y suelen trabajar a presiones relativamente bajas. Las toberas mas pequeñas se emplean para el secado por pulverización, los lavadores y los humidificadores de aire, los quemadores de petróleo, la absorción de gases, etc., y suelen funcionar con presiones algo mas altas. Como en las toberas de presión la capacidad de una tobera dad es casi proporcional a la raíz cuadrada de la presión, salvo a presiones extremadamente altas a las cuales los rozamientos limitan la descarga o derrame. Las presiones de trabajo no suelen ser superiores a 21 kg./cm.2, salvo en casos especiales, como la pulverización de leche, en la que se emplean presiones de 70 a 490 kg./cm2. Para un diseño dado de tobera, la descarga a presión constante es aproximadamente proporcional al área del orificio, aunque en este no corra el liquido llenándolo totalmente. La descarga o derrame no varia mucho con la viscosidad del fluido, hasta que esta sea mayor de 10 veces la del agua. El ángulo comprendido en el cono de rociada suele aumentar con la presión lentamente hasta un máximo y luego disminuye, pero depende en gran parte de las proporciones de la tobera. Una espiral con un paso corto, produce una rociada de cono ancho, mientras que inversamente, una espiral de paso grande da una de cono cerrado. El ángulo puede ser de 15 a 135 grados, pero no siempre resulta posible la obtención de toberas comerciales que nos den el ángulo deseado cuando la presión y el gasto de derrame son también fijos. Las toberas de cono cerrado tienden a la producción de un cono macizo mas bien que uno hueco.

  • Toberas de cono macizo

  • Esta tobera es una modificación de la de cono hueco y se emplea cuando se desea abarcar por completo una superficie fija. Se emplea en ciertas aplicaciones de lavado, para enfriar y airear agua, y para otros fines en que resulte ventajoso la distribución especial mas que uniforme. En la figura 1.1.2. puede verse la construcción y funcionamiento de una tobera típica de cono macizo. La tobera es en esencia una de cono hueco a la que se le ha añadido un chorro axial que choca contra el liquido en rotación justamente en el orificio. La división del liquido se debe en gran parte a este choque y a la turbulencia resultante. El fluido parece salir del orificio en forma de gotas mientras que en la de cono hueco suele observarse por lo general una lamina cónica corta que luego se rompe en gotitas fuera del orificio. Para obtener una distribución espacial uniforme es necesario diseñar la tobera de modo que exista una proporción adecuada entre la cantidad de liquido alimentado al chorro central, la cantidad del que se hace girar y el tamaño del orificio. Normalmente, es mayor la cantidad de liquido que se puede hacer girar que la del chorro axial. Puede conectarse una tubería independiente de alimentación para el chorro central, de modo que puedan mezclarse íntimamente dos líquidos o un liquido y un gas. Esto frecuentemente resulta útil en ciertas aplicaciones químicas.

    El ángulo comprendido en el cono macizo es función del diseño de la boquilla y es casi independiente de la presión. Varias toberas comerciales de cono macizo producen conos con ángulos comprendidos que van de 30 a 100 grados. Con un diseño especial puede conseguirse una rociada de cono macizo sin chorro central con ángulo comprendido tan grande como 100 grados.

    Las toberas de cono macizo no suelen encontrarse en el comercio en tamaños tan pequeños como las del cono hueco, pero los tamaños corrientes tienen gastos de derrame que van desde menos de 3.8 l/min. hasta varios centenares de litros por minuto.

  • Toberas de abanico

  • Un tercer modelo de tobera de presión es la llamada de abanico. Por medio de cortes fresados o canales en la cara posterior de la placa del orificio, y a veces de un orificio alargado, o por medio de dos chorros inclinados, se hace que el fluido salga en lamina de forma de abanico que luego se rompe en gotitas. En la figura 1.1.3. pueden verse algunas toberas de tipo abanico típicas. Debido a la tensión superficial, los bordes de la lamina están por lo general limitados por corrientes macizas o cuernos, en particular en los tamaños mas pequeños, que pueden comprender entre una cuarta parte y la mitad de la cantidad total de liquido pulverizado. Esas corrientes se rompen en corrientes más gruesas que la lamina central. Los cuernos no suelen ser tan acusados en los tamaños mayores, ni para ángulos comprendidos por la rociada inferiores a unos 50 grados. Las toberas de abanico son útiles cuando se desea distribuir el liquido siguiendo una línea determinada, como sucede cuando se lava, se limpia, se recubre o se enfría un material en un proceso continuo. El ángulo del abanico es de 10 a 130 grados en las toberas normalizadas y sus capacidades oscilan entre 0.38 y 76 l/min.

  • Toberas de choque

  • Otro tipo de tobera utilizada para ciertos fines especiales es el de choque. Se hace chocar a una corriente maciza de liquido a presión contra una superficie fija o contra otra corriente análoga. Mediante una orientación y una forma adecuada de la placa o variando el tamaño y la dirección de las dos corrientes de fluidos es posible obtener un cono hueco o una lamina en forma de abanico o de disco. Con toberas de choque es posible producir gotas de tamaños mas uniformes que con otros tipos de toberas de presión, si se mantiene la corriente laminar. En estos últimos tipos es extremadamente difícil conseguir la corriente laminar debido a sus piezas esenciales interiores. Por el contrario, los orificios de las toberas de choque pueden proyectarse para que produzcan flujo laminar si se toman las precauciones apropiadas y se aplican a operaciones continuas como el lavado de gases y a reacciones químicas entre un liquido y un gas en las que los tamaños mas uniformes de las gotas conducen en total a una economía a pesar del mayor costo de las toberas. Las pequeñas toberas de choque como la de la figura 1.1.4. suelen usarse en el humidificador de aire.

  • Toberas de “niebla” para extinguir incendios

  • Hay en el mercado varias toberas especiales de rociada para extinguir incendios, especialmente los producidos en petróleos y sus aceites. Corrientemente son de presión diseñados para producir una densa capa o “niebla” de gotas de agua relativamente pequeñas. Su efecto extintor se debe primordialmente al enfriamiento de los gases quemados por su contacto con las gotas de agua y principalmente por la evaporación de dichas gotas. Se consume una cantidad de agua relativamente pequeña, en comparación con la gastada por las mangueras ordinarias. Por lo que reducen la inundación y el esparcimiento consiguiente de los líquidos en llamas. Comúnmente se emplea un cabezal o distribuidor múltiple de rociadas que comprende varias toberas de alguno de los tipos corrientes. Sirve ello para producir pequeñas gotas y formar además una manta de rociado de un volumen relativamente grande. Estas toberas trabajan a presiones de 3.5 a 14 kg./cm², y descargan hasta 760 l/min.

    1.2 Toberas Rotativas

    La parte fundamental de una tobera rotativa es un disco o una copa generalmente conectado directamente a un motor eléctrico. El liquido que se pulveriza se alimenta bajo presión al centro del disco rotativo. Se emplean diversos modelos de discos, con el fin de mejorar las características de la rociada. A menudo se ponen aletas a la periferia del disco, o se montan independientemente a corta distancia de ella, para facilitar la dispersión o eliminar algunas de las gotas mas grandes. La tobera rotativa es particularmente útil para pulverizar o rociar líquidos viscosos, lechadas, y líquidos que contengan partículas sólidas que obstruirían otras toberas; se emplea también en algunos lavadores de aire, en pequeños aparatos para humedecer aire y en los quemadores de petróleo para uso domestico. El liquido pulverizado es lanzado en todas las direcciones en el plano del disco, y esto es a menudo un inconveniente. La velocidad del disco, depende de la aplicación y del tamaño de la tobera y varia entre unos cuantos cientos y varios miles de r.p.m. La cantidad de liquido pulverizado se controla fácilmente entre limites extensos. Los pequeños aparatos solo rocían unos litros por hora para humedecer aire, en tanto que los grandes funcionan con un gasto de derrame de 378 l/min. El tamaño de las gotas producidas se modifica cambiando la velocidad de rotación y dicho gasto, siendo las grandes velocidades y los bajos gastos los que dan gotas mas pequeñas. Las toberas rotativas necesitan por lo general mas potencia para funcionar que las de presión, para una aplicación determinada. Esto se debe probablemente a las perdidas por rozamientos entre el disco y el liquido, y entre este y el aire. Y además, a menudo hay que usar una bomba para suministrar liquido al disco. Las toberas rotativas son relativamente grandes y costosos y no suelen emplearse en los casos en que pueden aplicarse las de presión.

    1.3. Toberas Atomizadoras

    El liquido se pulveriza por su choque con una corriente de gas a gran velocidad, generalmente de aire o vapor. El liquido puede alimentarse bajo presión por la carga hidráulica debida a su densidad o por aspiración por el efecto del inyector de la corriente de gas. El contacto entre el liquido y el gas, puede tener lugar completamente fuera de la tobera dentro de una cámara en la cual sale el liquido pulverizado por un orificio. La forma de la nube de rociado se controla variando la forma del orificio en los tipos de mezcla interna y por medio de chorros auxiliares de gas en el mezcla externa.

  • El motor cohete termoquímico

  • Una de las aplicaciones que tienen las toberas es precisamente en este motor. Los motores cohetes termodinámicos pueden dividirse en dos según el combustible utilizado: propulsante (o propelente) liquido y de propulsante sólido (Ver figura 1.4.1.)

    Este motor cohete de propulsante a liquido (Ver figura 1.4.2.) funciona así: El comburente y el combustible se bombean a través de la placa de inyectores a la cámara de combustión, donde se efectúa esta a grande presión. Los gases de combustión a alta presión y alta temperatura se expanden a medida que fluyen por la tobera, y como resultado salen de esta a gran velocidad. El cambio de cantidad de movimiento que implica este aumento de velocidad, da lugar al empuje hacia adelante (reacción propulsiva) ejercida sobre el vehículo.

  • DIFUSORES

  • Un difusor es un dispositivo que aumenta la presión de un fluido. Es una tobera inversa por lo tanto el área de entrada es menor que el área de salida y por consiguiente la velocidad se disminuye dentro del difusor. La transferencia de calor es muy pequeña y despreciable, por esto se consideran como adiabáticos. Debido a los cambios que hay en la velocidad el cambio en la energía cinética es bastante apreciable y como el fluido experimenta poco o ningún cambio en la elevación la energía potencial es despreciable.

    3. TURBINAS

    En las centrales de potencia de vapor, gas o hidroeléctricas, el dispositivo que acciona el generador eléctrico es la turbina. Cuando el fluido pasa por la turbina, ejerce el trabajo sobre los alabes que están unidos al eje. Ver figuras 3.0.1. y 3.0.2

    3.1. Turbinas de vapor

    La confiabilidad, la capacidad de funcionamiento con velocidad variable y la posibilidad de ahorro de energía hacen recomendable la turbina de vapor en muchos procesos. La turbina de vapor es un motor primario satisfactorio y confiable para muchas máquinas de procesos. Se suele utilizar para la propulsión de bombas, ventiladores, sopladores y compresores; también se emplea a menudo en los generadores eléctricos para servicio de emergencia o para suministro de energía eléctrica en plantas remotas.

    Las turbinas de vapor son un tipo específico de turbinas de expansión. El fluido siempre es vapor, lo cual permite diseñar la turbina con mucha exactitud. Las turbinas de vapor ofrecen la característica velocidad variable, que es muy útil para ahorrar energía en las unidades motrices de bombas, sopladores y compresores.

    Si se instalan de modo que se pueda aprovechar su capacidad de velocidad variable, las turbinas de vapor permiten concordar los requisitos de energía con las cargas reales, y pueden ahorrar gran cantidad de energía en ciertas aplicaciones para procesos. Por contraste, una máquina propulsada por un motor eléctrico, que funciona con menos de la carga nominal y a velocidad constante, necesitará algún tipo de control del proceso, como la estrangulación del flujo de succión o de descarga o la derivación del flujo sin pasar por la máquina de regreso a la fuente de succión. Cualquiera de estas acciones ocasiona desperdicio de energía. Otra ventaja de las turbinas de vapor es su confiabilidad. En una planta en que se genera vapor como una función del proceso, se considera que el suministro es muy confiable, pues no está sujeto a interrupciones, fallas o problemas de transmisión de la energía eléctrica y similares. De hecho, muchas veces se seleccionarán turbinas de vapor para impulsar el equipo más crítico de la planta, que debe seguir funcionando en caso de interrupción o falla de la energía eléctrica.

    Todas las turbinas convencionales de vapor para plantas de proceso son de flujo axial, en las que el vapor se mueve paralelo al árbol y no cambia mucho su sentido cuando circula dentro de ella. Estas turbinas son de una etapa y de etapas múltiples. Las turbinas de una etapa tienen una sola tobera o un grupo de ellas, con una sola expansión del vapor. Son adecuadas para las aplicaciones más pequeñas. Las turbinas de etapas múltiples tienen dos o más expansiones por medio de grupos de toberas y, por lo general, se utilizan cuando se requiere mayor caballaje o más economía de vapor.

    Cuando el vapor de descarga o escape de cualquier turbina está a la presión atmosférica o a una presión mayor, la turbina se llama sin condensación. Cuando el vapor escapa a presión inferior a la atmosférica, se la llama de condensación.

    3.2. Turbinas de gas

    Las turbinas de gas tienen elevada eficiencia térmica y producen poca contaminación, pueden ser unidades motrices en muchas plantas de proceso. Desde hace más de 40 años, las turbinas de gas se utilizan en gran número como unidades motrices en refinerías de petróleo, en plantas de amoniaco, butadieno y etileno, entre otras.

    Normalmente las turbinas de gas se utilizan en lugar de turbinas de vapor con condensación por alguna de las siguientes razones:

    • Las turbinas de gas son unidades integradas. No necesitan calderas, condensadores, sistemas de agua de alimentación y enfriamiento y el equipo relativo.

    • Producen alta potencia a alta velocidad, con gran confiabilidad y fácil mantenimiento, y ocupan poco espacio.

    • Las turbinas de gas tienen eficiencias térmicas mucho más elevadas que las de vapor con condensación para procesos.

    • No producen tanta contaminación ambiental con su escape y, además, porque casi no hay que purgar sistemas de agua de alimentación y enfriamiento.

    Con todos estos factores favorables, se podría pensar que es fácil justificar la instalación de turbinas de gas en lugar de las de vapor, y no es así.

    Las turbinas de gas de clasifican como para trabajo pesado y derivadas de motores de aviación (o tipo avión).

    El tipo para trabajo pesado se ha perfeccionado para satisfacer las necesidades normales de las plantas industriales, sin limitaciones de espacio y de peso. Esta turbina normalmente es del tipo de uno o de dos ejes. Las paletas y álabes del compresor y la turbina son de construcción fuerte, lo mismo que las toberas. Esto, junto con las razones de presiones y temperatura moderadas en el gas energizado, permite largos intervalos para las inspecciones y mantenimiento.

    La turbina tipo avión, por contraste, es un motor de chorro (jet) para aviones pero, en vez de impulsar un avión, mueve una turbina de potencia. En esta forma, el motor es un generador de gas energizado que se envía a una turbina convencional de potencia para trabajo pesado.

    Estas turbinas ofrecen las siguientes ventajas:

  • La avanzada tecnología de la aviación y los laboratorios de investigación y desarrollo asociados se pueden aplicar para uso industrial.

  • Las técnicas de producción en serie y de control de calidad aplicados a la aviación benefician a los usuarios industriales.

  • Los centros de servicio para motores de avión, con sus estrictos requisitos de certificación, existencia de piezas de repuesto e instalaciones para prueba, están disponibles para dar servicio a los generadores de gas.

  • Las turbinas de gas tipo avión tienen dos o tres árboles, según sea el diseño del motor de reacción; no e puede utilizar en ellas el ciclo regenerativo. La turbina de potencia y el generador de gas (motor de reacción) son componentes separados, sin conexión mecánica; los sistemas auxiliares también están separados.

  • COMPRESORES

  • 4.1. Compresores rotatorios / rotativos

    Hay varios tipos de compresores rotatorios pero todos tienen el mismo tipo de curva de rendimiento que el compresor reciprocantes: es decir, son de capacidad fija con contrapresión variable. Los compresores rotatorios se prestan más para las unidades motrices de velocidad variable, como las turbinas de vapor, que los compresores reciprocantes.

    Por lo general, estos compresores tienen una capacidad máxima de unos 25.000 ft3/min. Los tipos más comunes de compresores rotatorios son los de espiral y de lóbulos rotatorios, que ofrecen la ventaja de que el aire no contiene aceite, porque no hay contacto con ninguna parte en la zona de compresión. Su diseño rotatorio les da una capacidad mucho mayor que la del compresor reciprocante y sin problemas de pulsaciones.

    4.2. Compresores reciprocantes

    Funcionan con el principio adiabático mediante el cual se introduce el gas en el cilindro por las válvulas de entrada, se retiene y comprime en el cilindro y sale por las válvulas de descarga, en contra de la presión de descarga.

    Estos compresores rara vez se emplean como unidades individuales, salvo que el proceso requiera funcionamiento intermitente. Por ejemplo, si hay que regenerar un catalizador cada dos o tres meses o se tiene un suministro de reserva en otra fuente, esto daría tiempo para reparar o reemplazar las válvulas o anillos de los pistones, si es necesario.

    Los compresores reciprocantes tienen piezas en contacto como los anillos de los pistones con las paredes del cilindro, resortes y placas o discos de válvulas que se acoplan con sus asientos y entre la empaquetadura y la biela. Todas estas partes están sujetas a desgaste por fricción. Los compresores reciprocantes pueden ser del tipo lubricado o sin lubricar. Si el proceso lo permite, es preferible tener un compresor lubricado, porque las piezas durarán más. En los compresores sin lubricación, la mugre suele ser el problema más serio, y por otros problemas que puede ocasionar el gas en sí.

  • VÁLVULA DE ESTRANGULAMIENTO

  • Una válvula de estragamiento es un mecanismo de regulación automática accionado por piloto o relé.

    La gráfica es el esquema de una válvula reductora accionada por piloto. La válvula piloto P deja pasar una parte del material a alta presión a través de L, hasta el lado de baja presión, aplicando la presión intermedia continua entre las dos agujas piloto, por intermedio del tubo T, a la superficie inferior del diafragma D2 que regula la válvula principal M. La posición del piloto se regula a su vez por la acción de la presión que actúa sobre el diafragma D1 y la fuerza del resorte que se opone al diafragma.

    El flujo de gases o líquidos a través de una válvula de estrangulamiento en la mayoría de casos ocurre tan rápido y en un espacio tan pequeño, que no hay suficiente tiempo ni un área suficientemente grande para una transmisión de calor apreciable.

    Una válvula de estrangulamiento en la base del carburador controla la cantidad de aire tirada a través del artefacto por el vacío parcial en los pistones. El conductor abre la válvula de estrangulamiento apretando el acelerador (pedal de gas). Cuando la válvula se vuelve más ancha, fluye más aire a través del carburador y entrega cantidades más grandes de combustible al artefacto. El conductor cierra la válvula de estrangulamiento disminuyendo la presión en el pedal de gas.

    6. CÁMARAS DE MEZCLA

    La sección donde sucede el proceso de mezclado de dos corrientes de fluidos, es llamada cámara de mezcla, o mezcladores.

    Este tipo de dispositivo solo se emplea en los sistemas continuos o circulantes para la mezcla completa de fluidos miscibles.

  • Mezcladores de Chorro

  • Estos, entre los cuales están los sopletes oxhídricos, se basan en el choque de un chorro contra otro, generalmente ambos a presión. Este tipo de mezclador se emplea a veces para líquidos, pero su mayor aplicación es la mezcla de combustibles gaseosos antes de inflamarlos (figura 6.1.)

  • Mezcladores de Inyector

  • Estos consisten en un tubo principal, y en un tubo, un surtidor, una tobera o un orificio auxiliar por el que se inyecta un segundo ingrediente en la corriente principal. Este tipo de mezclador, sencillo y poco costoso, se emplea mucho para mezclar, en cualquier proporción, gases con gases, gases con líquidos y líquidos con líquidos. Son ejemplos de mezcladores de este tipo para la mezcla de líquidos mutuamente insolubles, los mecheros Bunsen, los quemadores de petróleo, las pistolas pulverizadoras, los carburadores, el cañón lanza cemento, los atomizadores y los mezcladores de tobera (Figura 6.2.). El principal ingrediente puede ser un gas o un liquido, en algunos casos la velocidad de la corriente en la tubería principal induce la circulación del material en la tubería auxiliar. En otros casos se alimenta el material por la tubería auxiliar a presión y velocidad suficientes para que circule por la tubería principal. Este material procede del tanque de alimentación y se recircula por medio de una bomba exterior. Un requisito indispensable para que se produzca una mezcla rápida y completa en este tipo de mezclador es que la masa velocidad de la corriente auxiliar sea mucho mayor que la de la corriente principal.

  • Mezcladores de Columnas con Orificios o de Turbulencia

  • Estos mezcladores, utilizadores principalmente para el tratamiento continuo de los destilados de petróleo, pueden ser como el A de la figura 6.3. que representa una columna sencilla con orificios, o como el B, que, ilustra una tobera Duriron especialmente diseñada para producir turbulencia máxima. Estos mezcladores se basan en la transformación de la energía de presión en energía de velocidad turbulenta y encuentra muchas aplicaciones cuando la viscosidad es demasiado pequeña para permitir que se completen las reacciones en el poco tiempo disponible. Ambos tipos son fáciles para instalar.

  • Sistemas de Circulación Mixta

  • Estos, entre los cuales están los elevadores de agua por aire comprimido, los tubos "vomit” (vomitadores), los tubos de tiro largo y las bombas exteriores de circulación, suelen emplearse comúnmente para producir una renovación lenta del contenido de grandes depósitos de liquido por medio de aparatos mezcladores relativamente pequeños. Prácticamente en casi todos esos sistemas circulantes se agita cada vez solo una proporción muy pequeña del material y esto los hace inapropiados cuando se desea producir continuamente la intimidad de la mezcla. No resultan nunca útiles cuando es necesario obtener una mezcla rápida y completa. Pueden introducir en el elevador o la bomba, otros materiales, como gases, líquidos o lechadas para asegurar una absorción o una mezcla preliminar antes de descargarlos en el deposito principal. Véase la figura 6.4.

    6.5. Bombas Centrifugas

    A veces se emplean estas sin recirculación para mezclar líquidos previamente medidos y a menudo resultan útiles cuando solo se desea obtener una mixtura. El tiempo de “retención” sueles ser menor de un segundo que solamente es suficiente para que se produzcan reacciones instantáneas entre materiales inmiscibles. Véase la figura 6.5

    .

  • Torres Rellenas y de Rociado

  • Aunque estas se usan por lo general para la absorción de un gas puro por un liquido, o para la eliminación de una mezcla de gases, van empleándose mas cada día para eliminar cada componente de una mezcla liquida por medio de liquido inmiscible de densidad superior o inferior. Por regla general estas instalaciones funcionan a contra corriente, lo que explica en gran parte su éxito en muchas aplicaciones.

    Las torres rellenas no son convenientes cuando no existe alguna tendencia a formarse un precipitado, pues en esos casos suele presentar dificultades el problema de la limpieza. Ver figura 6.6.

  • INTERCAMBIADORES DE CALOR

  • Como su nombre lo implica, son dispositivos donde dos corrientes de fluido en movimiento intercambian calor sin mezclas. Los Intercambiadores de calor se emplean en diversas industrias y presentan numerosos diseños.

    La forma más común de intercambiador de calor es la del intercambiador de calor de doble tubo (también de tubo y coraza), mostrado en la figura 7.0.1. Se compone de dos tuberías concéntricas de diferentes diámetros. Un fluido circula por la tubería interior y el otro en el espacio anular entre las dos tuberías. El calor se transfiere del fluido caliente al frío mediante la pared que los separa. Algunas veces el tubo interior forma un par de vueltas dentro de la coraza para aumentar el área de transferencia de calor y, por ello, la relación de transferencia de calor. Las cámaras de mezcla son clasificadas como Intercambiadores de calor de contacto directo.

    El principio de la conservación de la masa para un intercambiador de calor en operación permanente requiere que la suma de las relaciones de flujo de masa entrantes sea igual a la suma de las relaciones de flujo de masa salientes. Otra expresión del mismo principio es: en operación permanente, la relación de flujo de masa de cada corriente de fluido que fluye por un intercambiador de calor permanece constante.

    Los Intercambiadores de calor no implican interacciones de trabajo (w=0) y sus cambios de energía potencial y cinética son despreciables. para cada corriente de fluido. La relación de transferencia de calor asociado con intercambiados de calor depende de cómo se elige el volumen de control. Los Intercambiadores de calor se destinan para la transferencia de calor entre dos fluidos dentro del dispositivo, y la coraza exterior suele estar bien aislada para evitar cualquier liberación de calor en los alrededores.

    Cuando todo el intercambiador de calor se elige como el volumen de control, Q se vuelve cero porque la frontera se encuentra justo abajo del aislamiento y poco o nada de calor cruza (figura 7.0.2.). Sin embargo, si solo uno de los fluidos se elige como el volumen de control, entonces la frontera será cruzada por el cuándo fluya de un fluido al otro y Q no será cero. De hecho, Q en este caso será la relación de transferencia de calor entre los dos fluidos.

  • Intercambiadores de calor en procesos a baja temperatura

  • Es esencial en todo proceso a baja temperatura que los Intercambiadores de calor sean eficientes, puesto que para os resultados de su funcionamiento sean buenos, los gases que retornan de la región a baja temperatura han de llevarse a una temperatura que se aproximen muy estrechamente a la del gas entrante. Mientras las instalaciones sean relativamente pequeñas y las presiones relativamente elevadas para que la caída de presión no fuera muy critico, no hubo dificultad para la construcción de Intercambiadores de calor compactos y eficientes del tipo de doble tubo o tubular (tubos y envolvente), los cuales resultaron satisfactorios; pero el advenimiento de grandes fabricas de oxigeno que utilizan bajas presiones del orden de 5 a 7 kg./cm2, exige nuevos tipos de Intercambiadores de calor que combinaron grandes superficies por unidad de volumen con una baja caída de presión.

  • Regenerador de Fränkl

  • El regenerador de Fränkl ha sido muy usado en las fabricas de oxigeno en Europa. Consiste en un deposito cilíndrico relleno con discos metálicos también cilíndricos que se hacen arrollando un espiral una tira corrugada de aluminio o cobre. La figura 7.1.1. es un elemento en espiral. El área superficial por unidad de volumen es de 1600 a 3300 m2/m3, la caída de presión es de pocas décimas de kg./cm 2 y son comunes temperaturas próximas en uno o dos grados centígrados a los del extremo caliente.

    En un proceso de separación del aire se emplean do regeneradores para cambiar calor entre el aire y el nitrógeno y otros dos para el aire y el oxigeno.

  • Intercambiadores de inversión

  • En su forma más simple consiste en dos pasos adyacentes con aletas por los cuales pasan a contra corriente aire y oxigeno o nitrógeno. Al final de un corto periodo de dos a tres minutos se invierten las circulaciones es decir, el aire circulara entonces por el paso que primeramente con tubo del gas puro separado y además en sentido contrario. La acción de un intercambiador de inversión es recuperativa mas bien que regenerativa y la una razón para la inversión de las circulaciones es que el intercambiador actúa como purificador del aire es necesaria para la inversión frecuente y regular para impedir la acumulación de los sólidos depositados. La extensión de la superficie conseguida por medio de las aletas se necesita no solo para obtener una gran superficie de transmisión por unidad de volumen, sino también para ayudar a retener las impurezas depositadas en forma de sólidas. Ver figura 7.1.2.

  • FLUJO EN DUCTOS Y TUBERÍAS

  • El transporte de gases o líquidos en tuberías y ductos es de gran importancia en muchas aplicaciones en ingeniería. El flujo por una tubería o ducto casi siempre satisface las condiciones de flujo permanente.

    En los flujos en las tuberías o ductos la transferencia de calor es apreciable. Las velocidades involucradas en el flujo por tuberías o ductos son relativamente pequeñas y los cambios en la energía cinética son casi siempre insignificantes. El cambio de la energía potencial es importante, ya que es posible que el fluido se someta a un cambio de elevación considerable.

    BIBLIOGRAFIA

    • ÇENGELS, Yunus. Termodinámica. Tomo 1. Segunda Edición. Mc Graw Hill. 1996.

    • VAN WYLEN, Gordon. Introducción a la Termodinámica Clásica y Estadística. Limusa Noriega Editores. México, 1993.

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