Los equipos de transferencia de calor son de tubo y coraza, rehervidores, condensadores, calderas, calderetas y hornos. Su diseño es muy diferente en cada uno de ellos y este se aprende por medio de una especialización.
El diseño de todos estos equipos se basa en la termodinámica que es la ciencia que sirve de punto de partida para el estudio de la transferencia de calor, es decir la forma e4n que este pasa de un material a otro. La manera de detectar este paso es por medio de un cambio de temperatura. Dentro de las operaciones unitarias, la transferencia de calor juega un papel muy importante puesto que la mayoría de ellas necesitan del intercambio de calor para efectuarse. Como ingeniero ambiental debes conocer estos principios de transferencia, es por eso que en esta unidad se hace referencia al balance energético ya que te encontraras con la problemática de proponer un equipo adecuado para efectuar operaciones unitarias como el acondicionamiento del aire y sistemas de refrigeración, todo tipo de hornos, calentadores y equipos de procesos químicos porque tu labor es muy parecida a la del ingeniero químico pero con un enfoque hacia la conservación y mejoramiento del ambiente.
La Ley de la Conservación de la Energía enuncia que:
“La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”. Ve el siguiente ejemplo:
Ilustración 1. Gases de chimenea una problemática ambiental.
La fábrica tiene procesos que generan calor, este se elimina de dos formas: por medio de los gases de chimenea y mediante el calentamiento del agua de enfriamiento, aquí se debe establecer un balance energético.
El proceso mostrado en la figura genera problemas ambientales que se tienen que resolver y en ellos interviene la transferencia de calor. Estos problemas son ocasionados por la combustión del carbón que se utiliza para generar energía eléctrica. Los gases al mezclarse con el aire, en la parte superior de la chimenea, se difunden en él y transportan partículas contaminantes hacia los alrededores de la chimenea.
Como puede observar, en este simple esquema están implícitas la transferencia de calor, la mecánica de fluido y el transporte de masa. No olvides que en la chimenea ocurren los tres procesos, siendo la chimenea el equipo para la realización de la operación unitaria.
Para observa la interacción entre la masa, el calor y los fluidos y una de las aplicaciones de los equipos de estas transferencias, en esta sesión aprenderás un poco sobre el diseño de chimeneas para que determines los parámetros más importantes sobre las especificaciones que debe reunir una chimenea.
Como ingeniero en tecnología ambiental explicaras la altura que debe tener una chimenea, la distancia en la que se depositaran los contaminantes sólidos a concentración máxima, la concentración máxima de contaminantes y la altura que alcanzara la columna de humo, puesto que los vapores y gases emitidos por una chimenea son una fuente de contaminación cotidiana en las grandes ciudades.
El humo que observas saliendo de la chimenea es una mezcla de moléculas de agua en forma de vapor mezclado con cenizas de carbón y moléculas gaseosas como el bióxido de azufre y los óxidos de nitrógeno, estas moléculas son las partículas.
En el siguiente ejemplo determinaras la concentración de ellas en el ambiente.
Para ello revisa el siguiente ejemplo de diseño de chimenea:
Determinación del máximo nivel de concentración en el suelo.
Una planta de poder quema 5.45 toneladas de carbón por hora y descarga los productos de la combustión por medio de una chimenea que tiene una altura efectiva de 75m. El carbón tiene un contenido de sulfuro de 4.2%, se estima la velocidad del viento, en la parte superior de la chimenea, en 6 m/s. Las condiciones atmosféricas son moderadamente estables. Se desea determinar el máximo nivel de concentración de SO2 a nivel de suelo a 850m con viento a favor y la distancia máxima desde la chimenea en la que se depositan los desechos. También se debe calcular la altura que alcanza la pluma de humo y la altura real de la chimenea.
El primer paso en este proceso es establecer la reacción química para formar el dióxido de azufre (SO2)
Estequiométricamente la reacción es:
La ecuación está balanceada. Ahora se procede a determinar las masas moleculares de cada elemento.
| Propiedad | S | O2 | SO2 |
| Número de átomos o moléculas | 1 | 2 | 1 |
| Masa atómica | 32 | 16 | 64 |
| Peso formula | 32 | 32 | 64 |
Esto indica que por cada 32 umas de azufre, se necesitan otras 32 umas de oxígeno para producir 64 umas de dióxido de azufre.
El problema indica que el contenido de azufre es de 4.2% en peso. Ahora se calcula la cantidad de SO2 que se produce.
El carbono que se quema es:
El contenido de azufre es:
Se redondea a 229 para simplificar los cálculos, entonces si hay 229 kg/h de azufre se necesitan otros 229 kg/h de oxígeno por tal motivo se forman 458 kg/h de SO2.
Convirtiendo este flujo a m/s se tiene:
El siguiente paso es determinar la distancia a la que serán depositadas las partículas del contaminante. Para ello tienes que utilizar la información que se presenta:
Tabla 1. Clases de estabilidad de Pasquill.
| Zona de estabilidad | Definición | Zona de estabilidad | Definición |
| A | Muy inestable | D | Neutral |
| B | Inestable | E | Ligeramente estable |
| C | Ligeramente inestable | F | Estable |
Ilustración 2. Coeficientes de dispersión horizontal y vertical.
El cálculo de los coeficientes de dispersión horizontal y vertical para determinar la dispersión del contaminante se realiza ayudado de la figura 6-6 la cual se modela mediante las siguientes ecuaciones:
Estos coeficientes están relacionados con la mecánica de fluidos. La concentración de los contaminantes se relaciona con la velocidad de los fluidos y la longitud de la chimenea.
Con la siguiente tabla tienes los coeficientes necesarios para determinar los coeficientes de dispersión sigma.
Tabla 2. Determinación de los parámetros de dispersión.
| Coeficientes | ||||
| Clase de estabilidad | a | b | c | d |
| A | 0.527 | 0.865 | 0.28 | 0.9 |
| B | 0.371 | 0.866 | 0.23 | 0.85 |
| C | 0.209 | 0.897 | 0.22 | 0.8 |
| D | 0.128 | 0.905 | 0.2 | 0.76 |
| E | 0.098 | 0.902 | 0.15 | 0.73 |
| F | 0.065 | 0.902 | 0.12 | 0.67 |
Una vez que se han calculado los coeficientes sigma se procede a calcular la concentración máxima por medio de la ecuación:
La altura de la pluma se denomina y se puede determinar por medio de la ecuación de Holland:
Está ecuación involucra la presión atmosférica, la temperatura de los gases de chimenea, la temperatura del aire, la velocidad de los gases y del aire, así como el diámetro de la chimenea. Está ecuación la utilizaras para continuar con la resolución del problema, los datos se enuncian a continuación:
Se sabe que la velocidad de los gases en el interior de la chimenea es de 9.14 m/s, el diámetro interior de la chimenea es de 1.07m, la altura efectiva de la chimenea es de 75m, la velocidad del viento equivale a 6 m/s, la temperatura del aire es de 13ºC, la presión barométrica es de 1000 milibar y la temperatura de los gases es de 149ºC.
Temperatura del aire en Kelvin:
Temperatura de los gases de chimenea:
Diferencia de temperaturas:
Por lo tanto, la altura de la chimenea es:
con esto, determinaste la altura de una chimenea y la altura de la columna de contaminantes, estableciste las distancias vertical y horizontal en las cuales se dispersa el contaminante y fijaste la concentración máxima de contaminante que se dispersa.
