En aplicaciones comerciales o industriales, los intercambiadores de calor por convección son ideales para asegurar la calidad y tiempo de vida de alimentos y bebidas.
José Luiz Lemke Arins.
La refrigeración es uno de los fundamentos de la vida moderna y siempre instó a los seres humanos a buscar formas de transferencia de calor más eficientes; la termodinámica fue una de las ramas de la ciencia que se ha desarrollado de manera significativa.
En este artículo se describirán algunas características de intercambiadores de calor por convección aplicados en refrigeradores comerciales, como vitrinas expositoras de bebidas, lácteos, islas de supermercados y otros.
El calor puede ser transmitido por conducción, convección y radiación, y, aunque estos fenómenos no son generalmente encontrados por separado, siempre que se evalúa un sistema de intercambio se considera el principio de intercambio de calor.
Al evaluar la teoría que reportan las investigaciones sobre la transferencia de calor resulta obvio que uno de los principales objetos de estudio es la transferencia de calor por convección con tubos y aletas o sin aletas, con el objetivo de desarrollar y mejorar la eficacia de los intercambiadores, lo que demuestra la importancia de este equipo en aplicaciones comerciales e industriales.
Aunque el estudio de los intercambiadores de calor por convección tiene una historia relativamente antigua, con más de 100 años, el desarrollo de la ciencia y la tecnología y la aparición de nuevos campos de investigación plantea nuevas exigencias para mejorar el rendimiento de los intercambiadores de calor.
En la mayoría de las aplicaciones comerciales uno de los temas más ampliamente estudiados es la transferencia de calor por convección mediante el flujo de aire forzado, que se aplica por lo general cuando es necesario rechazar el calor a bajas temperaturas.
Para comprender los factores que influyen en este proceso de transferencia de calor es interesante observar la ley de Newton que rige el fenómeno de convección forzada.
• La expresión general de la ley de Newton: q = h*A*(Tp-T∞)
En la evaluación de la expresión anterior es evidente que la transferencia de calor por convección se basa en la determinación del valor del coeficiente de convección (h) de la superficie del intercambiador de calor, la temperatura del fluido y la superficie de contacto.
El coeficiente de convección es consecuencia de la geometría de la superficie en contacto con el fluido, la velocidad con la que el fluido pasa a través del intercambiador de calor y las propiedades fisicoquímicas de éste.
La ley de Newton muestra la manera de aumentar la eficiencia de este tipo de intercambiadores de calor que resulta en un aumento de la transferencia de calor, la caída de pérdida de presión y la reducción de las dimensiones.
 Área de intercambio de calor |
Aspectos Constructivos
Éstos son considerados para mejorar el rendimiento de los intercambiadores, como el fluido de intercambio de calor, el material y la geometría de las aletas, paso de las aletas, el espaciamiento entre los tubos, la forma externa e interna de los tubos, el material de la tubería, la velocidad, así como la calidad del flujo del fluido.
 Tubos aletados en líneas – Tubos aletados escalonados |
Fluidos
| Fluido | Coeficiente de convección h (W/m2 oC) |
| Aire libre | 6 – 30 |
| Aire forzado | 30 – 300 |
| Aceite forzado | 60 – 1 800 |
| Agua forzado | 300 – 18 000 |
El fluido de intercambio de calor influye directamente en el rendimiento del intercambiador de calor, pero más que las características físico-químicas, los factores económicos hacen que el fluido más común en sistemas de refrigeración comercial sea todavía el aire.
Aquí se muestra un cuadro comparativo de algunos fluidos, donde el aire, cuando fluye de manera forzada, tiene mucho más capacidad de cambio térmico que cuando se aplica con convección natural (libre).
 Aspas para control del flujo de aire |
Aletas
Una superficie de aletas se caracteriza por la transferencia de energía por conducción dentro de sus fronteras y la transferencia de energía por convección a través de fronteras vecinales. Esta configuración se utiliza cuando el objetivo es aumentar la transferencia de calor entre un sólido y un líquido adyacente.
La presencia de las aletas es un factor clave para mejorar la eficiencia del intercambiador de calor, aumenta el área de superficie de contacto del fluido y, por consecuencia, genera el aumento de la tasa de transferencia de calor del sistema.
La conductividad térmica del material de aleta tiene un gran efecto sobre la distribución de temperatura a lo largo de la aleta y, por lo tanto, tiene gran influencia en el grado de mejora en la tasa de transferencia de calor.
Idealmente, el material de la aleta debe tener una alta conductividad térmica con el fin de minimizar la diferencia de temperatura desde la base hasta la extremidad de la aleta.
Geometría y el espaciado entre las aletas
El espaciado entre las aletas es influenciado directamente por la aplicación del intercambiador de calor, porque, aunque teóricamente cuanto mayor es el número de aletas del intercambiador térmico más eficiente es el flujo del calor, hay limitaciones a la aplicación de muy bajas distancias entre aletas como obstrucción por suciedad, bloqueo por hielo, aumento excesivo de la presión estática y la reducción de la velocidad de flujo del aire.
Espaciado, forma y disposición de los tubos
El diseño, forma y espaciamiento de los tubos también interfiere con la transferencia de calor, aumentando o disminuyendo la eficiencia de intercambio de calor.
Velocidad del fluido
La velocidad a la que el fluido pasa entre las aletas está relacionada directamente con la capacidad de transferencia de calor del intercambiador, pero no se puede decir que cuanto mayor sea el flujo de aire, mejor será para el sistema de refrigeración.
Obviamente, cuanto más aire pasa a través del intercambiador mayor calor se transfiere; o en el caso de un condensador, aumenta la transferencia de calor con el medioambiente, y en las aplicaciones en el evaporador, va a aumentar la transferencia de calor desde el ambiente interno del refrigerador por medio de fluido refrigerante que circula por el circuito de refrigeración.
 Métodos de transmisión del calor |
Evolución de los Sistemas de Refrigeración
Mediante la evolución de los sistemas de refrigeración así como con las nuevas alternativas de los sistemas de control y distribución del aire, cada vez más se diseñan refrigeradores de mayor eficiencia energética y con temperaturas internas más estables, lo que contribuye a mejorar la calidad del producto.
Factores como las variaciones de temperatura ambiental, la demanda de productos mantenidos (apertura de la puerta, la colocación de productos por ser enfriados) hacen que el sistema de refrigeración cambie sus condiciones de trabajo a cada instante.
Afortunadamente, estos sistemas siguen evolucionando hacia métodos más inteligentes, donde el control puede cambiar todas las características del refrigerador, como variación de la capacidad del compresor, variación del flujo del aire para adecuarse los intercambiadores a estas variaciones.
También elegir la mejor temperatura de evaporación o cambiar condiciones para que el condensador opere en condiciones que garanticen la confiabilidad del compresor, todo esto ya es factible en la industria.
Los principales desarrollos son aletas con diseño aerodinámico que garantizan más área de contacto entre el aire y la superficie de intercambio, micromotores con velocidades variables que reciben la información de la nueva condición de trabajo del refrigerador y cambian de velocidad, nuevas aspas que controlan el flujo de aire (disminuyen las variaciones de velocidad del aire entre las aletas) y nuevos elementos de control (más eficientes que el capilar).
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José Luiz Lemke Arin
Ingeniero de aplicación desde hace tres años en Wellington Drive Technologies, empresa neozelandesa que se dedica a la producción de motores conmutados electrónicamente, controladores electrónicos y soluciones especiales para las industrias de refrigeración y ventilación.
