Condensador (transferencia de calor)

Sistema para condensar gas en líquido por enfriamiento.

Para condensadores que no implican transferencia de calor, consulte Condensador (desambiguación) .

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La bobina del condensador de un frigorífico.

En los sistemas que involucran transferencia de calor , un condensador es un intercambiador de calor que se usa para condensar una sustancia gaseosa en un estado líquido mediante enfriamiento. Al hacerlo, la sustancia libera el calor latente y lo transfiere al entorno circundante. Los condensadores se utilizan para un rechazo eficiente del calor en muchos sistemas industriales. Los condensadores se pueden fabricar de acuerdo con numerosos diseños y vienen en muchos tamaños que van desde bastante pequeños (portátiles) hasta muy grandes (unidades a escala industrial utilizadas en procesos de plantas). Por ejemplo, un refrigerador usa un condensador para eliminar el calor. extraído del interior de la unidad al aire exterior.

Los condensadores se utilizan en aire acondicionado , procesos químicos industriales como destilación , plantas de energía de vapor y otros sistemas de intercambio de calor. El uso de agua de enfriamiento o aire circundante como refrigerante es común en muchos condensadores. ^[1]

Historia

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El primer condensador de laboratorio, un " Gegenstromkühler " (condensador de contraflujo), fue inventado en 1771 por el químico sueco-alemán Christian Weigel . ^[2] A mediados del siglo XIX, el químico alemán Justus von Liebig proporcionaría sus propias mejoras en los diseños anteriores de Weigel y Johann Friedrich August Göttling , y el dispositivo se conoció 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 planta de energía de vapor) a un fluido secundario o al aire circundante. El condensador se basa en la transferencia de calor eficiente que se produce durante los cambios de fase, en este caso durante la condensación de un vapor en un líquido. El vapor generalmente ingresa al 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 ocurre a lo largo del condensador, la cantidad de vapor disminuye y la cantidad de líquido aumenta; a la salida del condensador, solo queda líquido. Algunos diseños de condensadores contienen una longitud adicional para subenfriar este líquido condensado por debajo de la temperatura de saturación. ^[4]

Existen innumerables variaciones en el diseño del condensador, 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 tienen dos ventajas de diseño significativas sobre otras tecnologías de enfriamiento:

• La transferencia de calor por calor latente es mucho más eficiente que la transferencia de calor solo 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 secundario.

Ejemplos de condensadores

• Un condensador de superficie es aquel en el que el medio de condensación y los vapores se separan físicamente y se utilizan cuando no se desea el contacto directo. Se trata de un intercambiador de calor de carcasa y tubos instalado en la salida de todas las turbinas de vapor de las centrales térmicas . Comúnmente, el agua de refrigeración fluye a través del lado del tubo y el vapor entra en el lado de la carcasa donde se produce la condensación en el exterior de los tubos de transferencia de calor. El condensado gotea y se acumula en el fondo, a menudo en un recipiente incorporado llamado pozo caliente . El lado de la carcasa a menudo funciona al vacío.o vacío parcial, producido por la diferencia de volumen específico entre el vapor y el condensado. Por el contrario, el vapor se puede alimentar a través de los tubos con el agua refrigerante o el aire fluyendo por el exterior.
• En química , un condensador es el aparato que enfría los vapores calientes , haciendo que se condensen en un líquido . Consulte " Condensador (laboratorio) " para los condensadores a escala de laboratorio , a diferencia de los condensadores a escala industrial. Los ejemplos incluyen el condensador Liebig , el condensador Graham y el condensador Allihn . Esto no debe confundirse con una reacción de condensación que une dos fragmentos en una sola molécula mediante una reacción de adición y una reacción de eliminación.

En la destilación de laboratorio , el reflujo y los evaporadores rotativos , 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 de condensador más simple (y relativamente menos costosa). 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 que pueden condensarse los componentes del vapor. Al ser formas más complejas de fabricar, estos últimos tipos también son más caros de adquirir. Estos tres tipos de condensadores son cristalería de laboratorio.artículos, ya que normalmente están hechos de vidrio. Los condensadores disponibles en el mercado generalmente están 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.

• Los condensadores más grandes también se utilizan en procesos de destilación a escala industrial para enfriar el vapor destilado en destilado líquido. Comúnmente, el refrigerante fluye a través del lado del tubo y el vapor destilado a través del lado de la carcasa y el destilado se acumula en el fondo o sale por él.

Unidad condensadora para aire acondicionado central para una casa típica

• Una unidad de condensador utilizada en sistemas de aire acondicionado central generalmente tiene una sección de intercambiador de calor para enfriar y condensar el vapor de refrigerante entrante en líquido, un compresor para elevar la presión del refrigerante y moverlo, y un ventilador para soplar aire exterior a través del calor. sección del intercambiador para enfriar el refrigerante del interior. Una configuración típica de dicha unidad condensadora es la siguiente: La sección del intercambiador de calor envuelve los lados de la unidad con el compresor adentro. En esta sección del intercambiador de calor, el refrigerante pasa por múltiples pasos de tubos, que están rodeados por aletas de transferencia de calor a través de las cuales el aire de refrigeración puede circular desde el exterior hacia el interior de la unidad. Hay un ventilador motorizadodentro de la unidad condensadora cerca de la parte superior, que está cubierta por una rejilla para evitar que cualquier objeto caiga accidentalmente dentro del ventilador. El ventilador se utiliza para extraer aire de refrigeración exterior a través de la sección del intercambiador de calor a los lados y expulsarlo por la parte superior a través de la rejilla. Estas unidades condensadoras están ubicadas en el exterior del edificio que están tratando de enfriar, con tuberías entre la unidad y el edificio, una para que entre el refrigerante de vapor y otra para que el refrigerante líquido salga de la unidad. Por supuesto, se necesita una fuente de alimentación eléctrica para el compresor y el ventilador dentro de la unidad.
• En un condensador de contacto directo , el vapor caliente y el líquido frío se introducen en un recipiente y se dejan mezclar directamente, en lugar de estar separados por una barrera como la pared de un tubo intercambiador de calor. El vapor cede su calor latente y se condensa en un líquido, mientras que el líquido absorbe este calor y sufre un aumento de temperatura. El vapor y el líquido que entran normalmente contienen una única sustancia condensable, como un rocío de agua que se usa para enfriar el aire y ajustar su humedad.

Otros tipos de condensadores

Hay otros tres condensadores que se utilizan en los sistemas HVAC:

• Enfriado hidráulicamente
• Aire enfriado
• Evaporador

Aplicaciones:

• Refrigerado por aire : si el condensador está ubicado en el exterior de la unidad, el condensador refrigerado por aire puede proporcionar la disposición más sencilla. Estos tipos de condensadores expulsan calor al exterior y son fáciles de instalar.

   Los usos más comunes de este condensador son refrigeradores domésticos, congeladores verticales y unidades residenciales de aire acondicionado compacto. Una gran característica del condensador enfriado por aire es que son muy fáciles de limpiar. Dado que la suciedad puede causar problemas graves con el rendimiento de los condensadores, se recomienda encarecidamente que se mantengan libres de suciedad.

• Refrigerado por agua : aunque es un poco más caro de instalar, estos condensadores son del tipo más eficiente. Usados ​​comúnmente para piscinas y condensadores con tuberías para flujo de agua de la ciudad, estos condensadores requieren servicio y mantenimiento regulares.

    También requieren una torre de enfriamiento para conservar agua. Para evitar la corrosión y la formación de algas, los condensadores enfriados por agua requieren un suministro constante de agua de reposición junto con el tratamiento del agua.

    Dependiendo de la aplicación, puede elegir entre condensadores de tubo en tubo, carcasa y serpentín o carcasa y tubo. Todos están hechos esencialmente para producir el mismo resultado, pero cada uno de una manera diferente.

• Evaporativo : si bien estos siguen siendo la opción menos popular, se usan cuando el suministro de agua es inadecuado para operar el condensador enfriado por agua o la temperatura de condensación es más baja que la que se puede lograr con el condensador enfriado por aire. Los condensadores evaporativos se pueden usar dentro o fuera de un edificio y, en condiciones típicas, funcionan a una temperatura de condensación baja.

    Normalmente, estos se utilizan en grandes unidades comerciales de aire acondicionado. Aunque eficaces, no son necesariamente los más eficientes.

Ecuación

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

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

dónde:

• x es la distancia desde la entrada de 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 de refrigerante;
• P es el perímetro del tubo de refrigerante;
• G es la conductancia térmica del tubo de refrigerante (a menudo denominado UA );
• L es la longitud del tubo de refrigerante.

Ver también

• Condensador (laboratorio)
• Pozo de aire (condensador)

Referencias

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Condensadores .

1. Hindelang, Man jjhat; Palazzolo, Joseph; Robertson, Matthew, "Condensers", Enciclopedia de equipos de ingeniería química , Universidad de Michigan , archivado desde el 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.
4. Kays, WM; Londres, AL, "Condensadores", intercambiadores de calor compactos , OSTI, OSTI 6132549