Intercambiador de calor refrigerado por aire: definición y diseño

Conceptos básicos del intercambio de calor

Imagínese salir a correr en un día caluroso. Durante la carrera, su temperatura corporal aumenta. Una de las formas de refrescarse es parándose frente a un ventilador. El proceso de bajar la temperatura de nuestro cuerpo usando el flujo de aire de un ventilador se llama enfriamiento por aire.

De manera similar, la energía térmica se produce durante el funcionamiento de todos los sistemas mecánicos y electrónicos. El calor generalmente se considera un producto de desecho y debe eliminarse del sistema para garantizar un funcionamiento confiable. El proceso de mover el calor de un punto a otro se llama transferencia de calor y el dispositivo utilizado para el proceso de transferencia de calor se llama intercambiador de calor .

Principio de transferencia de calor

La transferencia de calor (o flujo de calor) siempre ocurre desde un punto de temperatura más caliente a un punto de temperatura más frío. Por lo tanto, cuando se debe eliminar el calor de un sistema, debe transferirse a una región del espacio que sea más fría que el propio sistema. Para muchos sistemas de ingeniería, el aire local que rodea el sistema es la región más conveniente para eliminar el calor, ya que el aire está presente en todas partes, es libre y, en la mayoría de los casos, más frío que el sistema operativo en sí (consulte la Figura 1). Hay excepciones en las que el calor puede trasladarse a un líquido enfriado o incluso a la tierra, pero para esta lección no consideraremos esas situaciones.

Figura 1. El calor fluye de caliente a frío

La cantidad de flujo de calor de un sistema caliente al aire circundante más frío (o aire ambiente) depende de tres factores:

1. La diferencia de temperatura entre el sistema y el aire ambiente.
2. El área del sistema expuesta al aire ambiente.
3. Un parámetro llamado coeficiente de transferencia de calor que depende principalmente de la velocidad de flujo del aire ambiente alrededor del sistema.

Esto se expresa en forma de ecuación como Q = hx A x DT , donde Q es la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo, h es el coeficiente de transferencia de calor y A es el área del sistema expuesta al aire y DT es el diferencia de temperatura. Por lo tanto, se puede ver que la tasa de transferencia de calor aumenta al aumentar el área expuesta al aire.

Intercambiadores de calor

Un intercambiador de calor tiene dos propósitos:

1. Mueva ese calor desde el interior de un sistema a una superficie que esté expuesta al aire ambiente. Este proceso se denomina transferencia de calor por conducción .
2. Mueva el calor de la superficie al aire ambiente. Este proceso se llama transferencia de calor por convección y aquí es donde importa el área de superficie aumentada.

La siguiente figura muestra un esquema y un ejemplo de un intercambiador de calor simple (generalmente llamado disipador de calor) que se usa para enfriar chips electrónicos. El pequeño conjunto de estructuras en forma de clavija en la figura se llama aletas y sirven para aumentar el área de superficie del intercambiador de calor. En muchas situaciones, se puede usar un ventilador para soplar aire sobre el disipador de calor para mejorar la velocidad a la que se elimina el calor del sistema. El aumento del flujo de aire aumenta el coeficiente de transferencia de calor, hy, por lo tanto, aumenta la tasa de transferencia de calor.

Figura 2. Disipador de calor para refrigeración de componentes electrónicos

Diseño de intercambiador de calor

Para diseñar un intercambiador de calor, necesitaría conocer los siguientes parámetros:

1. ¿Cuánto calor por unidad de tiempo desea eliminar de un sistema, es decir, Q?
2. ¿Cuál es la temperatura del sistema y del ambiente? Esto le permite calcular DT, es decir, la diferencia de temperatura entre el sistema y el ambiente.
3. Si el sistema puede usar un ventilador o no. Dependiendo de si puede usar un ventilador o no, se puede determinar un valor del coeficiente de transferencia de calor.

Conocer los tres parámetros anteriores le permitirá calcular el área necesaria para mover el calor requerido y, por lo tanto, el tamaño y la forma del disipador de calor.

Los intercambiadores de calor refrigerados por aire se utilizan ampliamente en sistemas HVAC, refrigeración de componentes electrónicos, motores y controladores industriales, aviónica y varias otras aplicaciones comerciales.

Resumen de la lección

Los intercambiadores de calor se utilizan para eliminar el calor de un sistema, de modo que la temperatura del sistema se pueda mantener en los niveles permitidos. Hay dos pasos para los intercambiadores de calor refrigerados por aire. El primero es llevar calor a la superficie del sistema y el segundo transferirlo al aire circundante. El calor total que se puede transferir de un sistema depende del coeficiente de transferencia de calor, la diferencia de temperatura entre el sistema y el entorno, así como el área del sistema expuesta al entorno. Los intercambiadores de calor se utilizan ampliamente en muchos sistemas mecánicos y electrónicos.