2

Existeixen tres mecanismes a través dels quals es propaga la calor, és a dir, es transfereix energia tèrmica d’uns cossos a uns altres:

la conducció la convecció la radiació.

Si escalfem l’extrem d’una barra metàl·lica amb un encenedor, al cap de poc temps l’altre extrem també serà calent. Diem que l’energia tèrmica, anomenada calor, s’ha transmès de l’extrem calent a l’extrem fred de la barra.

A nivell atòmic: en escalfar un extrem, les partícules d’aquest extrem han començat a vibrar amb més rapidesa, i aquesta major vibració s’ha transmès en els xocs a les partícules contigües, fins a arribar a les que es troben a l’altre extrem. Aquest procés s’anomena conducció tèrmica.

3

4

Aquest procés permet transmetre l’energia sense que hi hagi desplaçament global de matèria: les partícules d’un sòlid vibren més ràpidament, però no es desplacen globalment.

El mateix els passa a les d’un líquid, si bé aquí participen en la transmissió altres tipus de moviment.

En els gasos la transmissió es realitza per intercanvi d’energia en els xocs entre molècules. Les molècules es desplacen, però no ho fa el conjunt del gas.

Tanmateix, en els líquids i en els gasos, la transmissió d’energia tèrmica es realitza a la vegada per convecció.

Alguns materials són més bons conductors de la calor que d’altres. La capacitat d’un material per conduir la calor s’anomena conductivitat tèrmica.

5

6

Els metalls són els millors conductors de la calor. Els sòlids no metàl·lics, igual que els líquids, acostumen a ser

mals conductors de la calor, excepte els anomenats semimetalls, com el silici i el grafit.

L’aigua és un mal conductor de la calor; l’aigua de la paret superior del tub pot estar bullint sense que el gel de la part inferior del tub es fongui.

7

Els gasos són pitjors conductors de la calor que els líquids. La conductivitat tèrmica de l’aire és aproximadament 1/20 de la de l’aigua. Molts materials són mals conductors de la calor, gràcies al fet de tenir bosses d’aire atrapades al seu interior (per exemple, la llana i el poliestirè expandit).

Tant els bons com els mals conductors de la calor tenen aplicacions útils. Per exemple, en escalfar un vas al laboratori amb el bec Bunsen, interposem una reixeta metàl·lica entre el vas i el bec, per difondre la calor de la flama i d’aquesta manera protegir el vas. Les cassoles estan fetes normalment d’alumini, coure o ferro, perquè aquests materials condueixen ràpidament la calor procedent de la flama. Les nanses es fan de plàstic o fusta, justament per la raó contrària.

8

Els materials aïllants s’utilitzen molt en la construcció de les cases per reduir al mínim les pèrdues de calor. D’aquesta manera s’aconsegueix reduir la despesa de combustible per a calefacció, i s’estalvia a escala mundial recursos energètics que són limitats. La figura mostra la diversitat de materials aïllants usats en la construcció d’una casa. Tots ells són bons aïllants gràcies a l’aire atrapat que contenen.

9

La pèrdua de calor a través d’un determinat material aïllant, per exemple la paret d’una casa, és més gran com: Més gran és la diferència de temperatura entre la paret interna i

l’externa. Més petit és el gruix de la paret. Més gran és la superfície de la paret.

Per a un material d’un determinat gruix, la pèrdua de calor es pot expressar com l’energia transmesa per segon, per metre quadrat de superfície i per grau de diferència de temperatura { (J/s)/(m2 ºC)}.

10

Els líquids i els gasos són molt mals conductors de la calor, però, en canvi, poden transportar-la ràpidament d’un lloc a un altre per tal com poden circular lliurement.

Aquesta forma de transportar l’energia tèrmica s’anomena convecció.

S’escalfa un got d’aigua en un punt de la seva part inferior, l’aigua pròxima a la flama s’escalfa, es dilata, i per tant es torna menys densa; això fa que l’aigua més freda que hi ha al voltant l’empenyi cap amunt. En canvi, l’aigua més freda de la part superior s’enfonsa, ocupant el seu lloc. Això crea un corrent d’aigua que circula de baix a dalt per una banda, i de dalt a baix per l’altra, que s’anomena corrent de convecció, i que transfereix ràpidament energia tèrmica de la part inferior a la part superior.

11

Si escalfem l’aigua de la part superior, no hi haurà convecció: l’aigua es fa menys densa i es conserva a la part superior.

La calefacció amb radiadors d’aigua és una aplicació de la convecció. Tanmateix, en el cas dels radiadors la circulació d’aigua és ajudada mitjançant una bomba que augmenta la pressió de l’aigua. Quan la convecció és produïda per una diferència de pressió, es parla de convecció forçada.

La convecció també es produeix en els gasos. Si apropem la mà sobre la flama d’una espelma, advertim una sensació de calor més gran que si la hi apropem de costat. Això és degut al fet que l’aire calent, menys dens, puja, empès per l’aire més fred que l’envolta.

12

La tirada de les xemeneies és un altre exemple de convecció en gasos; els productes de la combustió, menys densos que l’aire, pugen per la xemeneia.

La calor que arriba, a través de l’aigua, als radiadors d’una habitació és transferida a l’aire mitjançant corrents de convecció. L’aire en contacte amb la part alta dels radiadors puja cap al sostre i és reemplaça per l’aire més fred que baixa.

13

Tots els objectes emeten radiació tèrmica. La intensitat d’aquesta radiació és més gran com més gran és la temperatura de l’objecte. Aquesta radiació és propaga a l’espai, encara que hi hagi el buit, en forma d’ones i escalfa qualsevol objecte que l’absorbeixi. Igual que la conducció i la convecció, la radiació és una forma de transferir energia tèrmica d’un lloc a un altre.

Algunes superfícies són més absorbents a la radiació tèrmica que d’altres. Les superfícies negres i rugoses són les més absorbents. En canvi, les superfícies blanques i les platejades (com els miralls) són les menys absorbents; gairebé la totalitat de la radiació tèrmica hi és reflectida.

14

A l’estiu es porten robes clares per reduir la quantitat de radiació absorbida. En un dia assolellat, l’interior d’un cotxe negre s’escalfa més que el d’un de blanc.

Les superfícies que són bones absorbents de la radiació tèrmica es mostren també bones emissores de radiació. Així, les superfícies negres rugoses són les millors emissores, i les platejades les pitjors.

Aquest fet troba una aplicació en la fabricació de termos. Els termos consten d’un recipient amb una doble paret de vidre on s’ha fet un buit parcial, per reduir la pèrdua d’energia per conducció. Les superfícies de vidre són platejades per reduir al màxim la pèrdua d’energia per radiació.

15

El vidre de les finestres es transparent a la llum visible i a la radiació tèrmica del Sol, però no ho és tant per a la radiació tèrmica que procedeix dels objectes de l’habitació, amb el resultat que la calor hi queda “atrapada”. Per aquest motiu, es fa servir per construir el sostre dels hivernacles. Aquest efecte es coneix com a efecte hivernacle.

Moltes vegades la transferència d’energia tèrmica d’un cos a un altre té lloc simultàniament per conducció, convecció i radiació.

16

INTRODUCCIÓ Existeix una gran diversitat d’aparells per subministrar o eliminar

calor, poden basar-se simultàniament en més d’un dels mecanismes de transmissió de calor estudiats.

Principals tipus d’aparells:

17

BESCANVIADORS DE CALOR Equips on es bescanvia energia entre fluids calents i freds

s’anomenen bescanviadors de calor. L’objectiu dels bescanviadors de calor és dur una corrent de fluid a

una temperatura determinada, escalfant-la o refrigerant-la mitjançant una altra corrent de fluid.

Els fluids circulen separats per una superfície metàl·lica o no, a través de la que bescanvien calor.

S’empren molt a la indústria química per situar les diferents corrents de fluid a un nivell tèrmic adequat i, a més a més, per aconseguir el màxim estalvi energètic. Per aconseguir això s’integren les diferents corrents de fluid entre sí, enllaçant corrents a escalfar amb corrents a refredar, de manera que el consum d’energia addicional sigui mínim.

Els factors principals que cal tenir en compte a l’hora d’escollir un tipus o un altre de bescanviador per un servei concret són: • Temperatura de treball, i estat (líquid o vapor) dels fluids. • Pressió de les corrents, i pèrdues de pressió admissibles. • Cabals dels fluids. • Possibilitat d’embrutiment de l’aparell: les incrustacions o

dipòsits de brutícia actuen com una resistència al pas de la calor, dificultant-lo.

• Acció corrosiva dels fluids. • Espai disponible per la instal·lació de l’aparell.

18

19

TIPUS DE BESCANVIADORS Bescanviador de calor de tubs concèntrics (Bescanviadors de calor

de doble tub) • És el dispositiu més senzill per bescanviar calor entre un fluid fred

i un altre de calent. • Un dels fluids circula pel tub interior, mentre que l’altre ho fa per

l’espai anular entre els dos tubs, els fluxos poden ser en paral·lel o en contracorrent. Bescanvien calor a través de la paret que separa els dos fluids. Aquest tipus de bescanviador de calor, de fàcil construcció, s’empra només per petits cabals.

20

21

TIPUS DE BESCANVIADORS Bescanviador de carcassa i tubs. • En aquest cas un o els dos fluids realitzen múltiples recorreguts o

passos pel bescanviador. • Si el fluid fred passa només una vegada pels tubs i el calent una sola

vegada per la carcassa banyant exteriorment els tubs, el bescanviador s’anomena 1-1.

• Si el fluid fred passa dues vegades pels tubs al llarg del bescanviador, aquest s’anomena 1-2; en aquest últim cas els fluids circulen en contracorrent en la meitat del bescanviador i en paral·lel en l’altre meitat. També existeixen altres bescanviadors, com els 2-4, 2-6, etc.

• En els bescanviadors multitubulars el fluid exterior que circula per la carcassa es veu obligat a travessar el bloc de tubs amb flux creuat més que en paral·lel, forçat per la presència d’unes “parets deflectores” perpendiculars als tubs.

22

23

24

• Els bescanviadors d’aquest tipus s’anomenen bescanviadors m-n, on m és el número de passos o canvis de direcció del fluid de la carcassa, i n el número de passos de fluid del interior dels tubs.

• Els capçals es poden retirar amb certa facilitat per procedir a la neteja del bescanviador i a la seva reparació en cas que fos necessari.

• Si és molt improbable que s’embruti l’aparell es poden fer servir tubs en forma d’U, amb un únic capçal, són més econòmics, però més difícils de netejar.

25

Bescanviador de calor de plaques • El seu disseny està basat en substituir les superfícies tubulars per

superfícies planes amb rugositats. Aquests bescanviadors poden desmuntar-se amb facilitat per netejar-los, i tenen poc volum, però el seu preu generalment és elevat.

26

Bescanviador de calor de grafit • En aquests bescanviadors no hi ha superfícies metàl·liques de

bescanvi de calor, el fluid circula per forats en una massa de grafit premsada. Es fan servir per líquids molt corrosius.

1) Quina operació es produeix en un bescanviador de calor? 2) Estan en contacte els fluids en un bescanviador de calor? 3) Com s’aconsegueix un estalvi energètic amb l’ús d’aquests aparells? 4) Quin altre nom reben els bescanviadors de calor de tubs concèntrics? 5) Com funcionen els bescanviadors de tubs concèntrics? 6) Què significa “fluxos en paral·lel”? 7) Què significa “fluxos en contracorrent”? 8) Quins bescanviadors de calor s’empren per a petits cabals? 9) En què consisteix un bescanviador de carcassa i tubs? 10) Què significa “flux creuat”? Dóna un exemple.

27

28

11) Per què serveixen les parets deflectores en un bescanviador de calor de carcassa i tubs?

12) Quin significat tenen les lletres “m” i “n” en els bescanviadors de tipus m-n?

13) Per què es interessant que els capçals dels bescanviadors tipus m-n es puguin retirar?

14) Es poden desmuntar els bescanviadors de plaques? 15) Com funcionen els bescanviadors de plaques? 16) De quin tipus (m-n) és el bescanviador de carcassa i tubs de l’esquema?

Refrigeració és el procés de producció de fred, mitjançant el transport d'energia tèrmica des d'un focus a baixa temperatura a un altre a alta temperatura; per això és necessari l'aportació d'energia.

Intervé un fluid, refrigerant, que pateix una sèrie de transformacions termodinàmiques allarg d'un cicle de funcionament.

APLICACIONS • Processos de fabricació: síntesis, liofilització .... • Conservació • Condicionament de l'aire

29

Moltes vegades, a la indústria, la finalitat de la refrigeració és mantenir la temperatura, generalment, entre 1 i 8 ºC .

S’aconsegueix la velocitat de les transformacions microbianes i bioquímiques, i a la vegada, reduir la velocitat de fenòmens indesitjables. La de la temperatura disminueix la velocitat de les transformacions químiques i enzimàtiques. Aproximadament la velocitat de reacció per moltes transformacions disminueix de 2-2,5 vegades al disminuir la temperatura en 10 ºC.

Per impedir qualsevol desenvolupament microbià, incloent-hi els fongs, els quals poden aclimatar-se a baixes temperatures, es precís arribar a temperatures més baixes (< 12 ºC).

30

31

La refrigeració es pot definir com l’acció de produir i mantenir temperatures inferiors a les del medi ambient. Aquesta acció pot basar-se, entre d’altres, en els fenòmens següents:

• Refrigeració evaporativa (Canvi de fase) • Refrigeració per compressió (Expansió de gasos comprimits) • Refrigeració per absorció (Desorció d’un gas) • Refrigeració magnètica (Desmagnetització d’un sòlid.)

Tant el canvi de fase com l’expansió de gasos comprimits s’empren molt a nivell industrial per a la refrigeració. La resta només s’empren a escala laboratori.

MÈTODES DE REFRIGERACIÓ

32

Hi ha molts processos que es basen en l’evaporació d’un líquid a baixa temperatura. L’efecte refrigerador es degut a la calor absorbida pel líquid al evaporar-se.

Els processos de refrigeració necessiten una continuïtat en l’acció, els processos han de ser continus, per tant cal que el vapor produït torni a l’estat líquid, i així contínuament.

Per assolir i mantenir una temperatura baixa en un lloc determinat cal que el fluid refrigerant absorbeixi calor a aquesta temperatura i la cedeixi a temperatura superior generalment al medi ambient. Per una altra banda, aquest flux de calor no es pot efectuar de manera espontània, sinó que necessita l’aportació d’energia externa.

33

S'estableix un estret contacte entre aigua en circulació i un petit corrent d'aire no saturat, mitjançant l'evaporació d'una petita part de l'aigua, l'aire es refreda i es descarrega més saturat.

L’equip • Secció d'intercanvi de calor (sempre humida) • Dispositiu ruixador d'aigua • Sistema de ventilació • Components auxiliars: basa col·lectora, instruments de control. ..

Torre de refrigeració evaporativa

Basat en els canvis d'estat (líquid-vapor i vapor-líquid) en una substància (fluid refrigerant).

Consisteix en forçar mecànicament la circulació del fluid en un circuit tancat, creant zones de baixa i alta pressió, amb el propòsit que el fluid absorbeixi calor en un lloc i el dissipi en un altre.

34

L'evaporador A l'evaporador el refrigerant en estat líquid passa a estat gasós extraient calor de 1' entorn.

El compressor S'encarrega de comprimir el refrigerant en estat vapor procedent de l'evaporador.

35

El condensador S'encarrega de liquar el gas a alta pressió procedent del compressor

La vàlvula d'expansió S'encarrega de tornar la pressió inicial al fluid i l'acaba de refredar

Esquema de la refrigeració por compressió: 1.Transferència de calor a l’exterior (condensador), 2.Vàlvula d’expansió, 3.Absorció de calor des de l’interior (evaporador), 4.Compressió del gas.

La compressió directa, a expenses de treball mecànic, se substitueix per un procés mixt d'absorció-destil·lació que consum energia calorífica.

El seu funcionament es basa en que la pressió de vapor d'una substancia (el refrigerant) es pot disminuir afegint altra substància (l'absorbent).

Necessita calor per funcionar, el seu cost serà baix si aquest és residual. No té parts mòbils que generin vibracions, i té un manteniment reduït Aprofita que certes substàncies absorbeixen calor al canviar d’estat

líquid a gasós. El cicle es basa físicament en la capacitat que tenen algunes substàncies, com el bromur de liti, d’absorbir una altra substància, com l’aigua, en fase de vapor.

Una altra possibilitat és emprar l’aigua com a substància absorbent (dissolvent) i com a absorbida (solut) amoníac.

36

Etapes del cicle • Evaporació • Absorció • Intercanvi de calor • Destil·lació • Condensació • Expansió

37

•En detall, en el cicle aigua-bromur de liti, l’aigua (refrigerant), en un circuit a baixa pressió, s’evapora en un bescanviador de calor, anomenat evaporador, el qual refreda un fluid secundari, que refrigerarà ambients o cambres. Acte seguit el vapor és absorbit pel bromur de liti (absorbent) en l’absorbidor, produint una solució concentrada. Aquesta solució passa l’escalfador, on es separen dissolvent i solut mitjançant calor provinent d’una font externa; l’aigua torna a l’evaporador, i el bromur a l’absorbidor per a reiniciar el cicle. De la mateixa forma que els sistemes de compressió utilitzen aigua en els seus processos, el sistema requereix d’una torre de refredament per a dissipar la calor sobrant.

38

Es qualsevol fluid que s'utilitza per transmetre calor en un sistema de refrigeració, que absorbeix calor a baixes temperatures i pressió i el cedeix a alta temperatures i pressió, generalment amb canvis d'estat del fluid.

Característiques termodinàmiques • Baixa temperatura d'ebullició • Alta calor latent de vaporització • Alta temperatura crítica • Moderat volum específic de vapor • Moderades pressions de treball • Baix punt de congelació

39

Altres característiques • Químicament estable • Fàcilment detectable (fuites) • No corrosiu • No inflamable, ni explosiu, ni tòxic

• Innocu amb els olis lubricants • Econòmic

40

Toxicitat dels refrigerants • Es classifiques per grups de seguretat • Cada un s’identifica amb un codi: R-11, R402B o R-125 • S’ha d’especificar el grau de concentració i el temps d’exposició.

Classificació dels refrigerants

Grup primer Grup segon Grup tercer

Nul·la acció tòxica

Tòxics En mescla, pot ser explosiva

Grup 1 alta seguretat

Grup 2 seguretat mitjana

Grup 3 Baixa seguretat

CCl3F, CCl2F-CCl2F

NH3, SO2, CH2Cl2

Età, propà, butà, etilè i

isobutà http://www.caloryfrio.com/archivos-cyf/pdf/saberhacer/gasesrefrigerantes.PDF

41

CFC: gasos refrigerants que contenen àtoms de carboni, clor i fluor. HCFC: gasos refrigerants que contenen àtoms de carboni, hidrogen, clor i fluor. HCF: gasos refrigerants que contenen àtoms de carboni, hidrogen i fluor. Quins refrigerants fan malbé la capa d'ozó? • Només els CFC i els HCFC, els CFC tenen més capacitat de destrucció • 2000-2010 Prohibició de venta i ús dels CFC • 2001 Prohibició d'ús deis HCFC (amb excepcions) • 2004 Prohibició de fabricar equips amb HCFC • 2010 Prohibició d'utilització HCFC per manteniment i recarregues Detecció de fugues Poden ser cap a dins o cap a fora Després de localitzada i reparada s'ha de purgar el sistema Mètodes de detecció: • Solució de sabó • Detectors electrònics • Colorants

Els sistemes industrials i domèstics de refrigeració (frigorífics, congeladors, aire condicionat…) es basen en la compressió i expansió d’un gas de forma cíclica.

Els gasos utilitzats, tard o d’hora s’escapen a la atmosfera, i a més, els més adequats per al procés de refrigeració causen efecte hivernacle o destrucció de la capa d’ozó. (protocol de Kyoto).

Alternativa: la refrigeració magnètica. En lloc de gas, s’utilitza un sòlid magnètic i, en lloc de cicles de compressió-expansió, cicles de imantació-desimantació.

42

Els àtoms magnètics Alguns àtoms (Cr, Mn, Fe, Co, Ni i d’altres menys coneguts) tenen

moment magnètic, és a dir, es comporten com a imants atòmics. Normalment, cadascun d’aquests imants està orientat en una direcció a l’atzar, però si s’aplica un campo magnètic mitjançant un electroimant, els moments magnètics tendeixen a alinear-se amb ell.

A això s’oposa l’agitació tèrmica que tendeix a desordenar la direcció en la que apunta cadascun d’aquests imants atòmics. El resultat és que a l’aplicar el camp es perd la major part de l’ energia d’agitació tèrmica dels moments magnètics. Aquesta energia passa en forma de calor a la resta dels àtoms del material i als objectes que estan en contacte tèrmic amb ell; consegüentment la temperatura puja. A la inversa, si el material està en presència d’un campo extern i de cop es suprimeix, el material es refreda.

43

44

Cicle de refrigeració magnètica • Part superior esquerra: el material amb àtoms amb moment

magnètic, a T ambient (color blau celeste) i direcció aleatòria. • Apliquem un camp magnètic (2a etapa, imant de ferradura): els

moments magnètics s’alineen amb el camp extern i el material s’escalfa (color vermell).

• Mitjançant el contacte tèrmic amb l’exterior i mantenint el camp extern, el material es refreda fins la T ambient (3a etapa, color verd).

• Després suprimim sobtadament el camp: els moments es desalineen i el material es refreda. Es troba a una T més baixa que l’ambiental (4a etapa, color blau marí).

• El material es posa en contacte tèrmic amb l’objecte que volem refredar, simbolitzat per un frigorífic. L’objecte es refreda i el material s’escalfa fins que els dos arriben a una T d’equilibri, inferior a la que tenia l’objecte.

• El procés es pot repetir i el resultat és que cada cicle extrau una quantitat de calor del frigorífic cedint calor a l’exterior, de forma que totes les T excepte la verd van baixant. Al final s’arriba a un valor estable en el que la capacitat de refrigeració del material iguala les fugues de calor des de l’exterior fins a l’objecte. Les T del material en cada etapa estan simbolitzades pels termòmetres de mercuri grisos.

45

Paral·lelisme entre el procés de refrigeració magnètica i el de compressió-expansió d’un gas Refrigerador magnètic rotatiu

desenvolupat per Chubu