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INTERCAMBIADORES DE CALOR 

El desarrollo de los intercambiadores es variado y de una amplia gama de tamaños ytecnología como plantas de potencia de vapor, plantas de procesamiento químico,calefacción y acondicionamiento de aire de edificios, refrigeradores domésticos,

radiadores de automóviles, radiadores de vehículos especiales, etc.

En los tipos comunes, tales como intercambiadores de coraza y tubos y los radiadoresde automóvil, la transferencia de calor se realiza fundamentalmente por conducción yconvección desde un fluido caliente a otro frío que está separado por una paredmetálica.

En las calderas y los condensadores, es de fundamental importancia la transferencia decalor por ebullición y condensación.

En ciertos tipos de intercambiadores de calor, como las torres de enfriamiento, el flujo

caliente (es decir, el agua) se enfría mezclándola directamente con el fluido frío (esdecir, el aire) o sea que el agua se enfría por convección y vaporización al pulverizarla odejarla caer en una corriente (o tiro) inducida de aire.

En los radiadores de las aplicaciones especiales, el calor sobrante, transportado por ellíquido refrigerante, es transmitido por convección y conducción a la superficie de lasaletas y de allí por radiación térmica al vacío.

En consecuencia el diseño térmico de los intercambiadores es un área en donde tienennumerosas aplicaciones los principios de transferencia de calor.

El diseño real de un intercambiador de calor es un problema mucho más complicadoque el análisis de la transferencia de calor porque en la selección del diseño final jueganun papel muy importante los costos, el peso, el tamaño y las condiciones económicas.

Así por ejemplo, aunque las consideraciones de costos son muy importantes eninstalaciones grandes, tales como plantas de fuerza y plantas de proceso químico lasconsideraciones de peso y de tamaño constituyen el factor predominante en la seleccióndel diseño en el caso de aplicaciones especiales y aeronáuticas. Por lo tanto en estetrabajo es importante hacer un tratamiento completo del diseño de intercambiadores decalor.

Para la clasificación de los intercambiadores de calor tenemos tres categoríasimportantes:

REGENERADORES. 

Los regeneradores son intercambiadores en donde un fluido caliente fluye a través delmismo espacio seguido de uno frío en forma alternada, con tan poca mezcla física comosea posible entre las dos corrientes.

La superficie, que alternativamente recibe y luego libera la energía térmica, es muy

importante en este dispositivo.

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Las propiedades del material superficial, junto con las propiedades de flujo y del fluidode las corrientes fluidas, y con la geometría del sistema, son cantidades que debenconocer para analizar o diseñar los regeneradores.

INTERCAMBIADORES DE TIPO ABIERTO. 

Como su nombre lo indica, los intercambiadores de calor de tipo abierto sondispositivos en los que las corrientes de fluido de entrada fluyen hacia una cámaraabierta, y ocurre una mezcla física completa de las corrientes.

Las corrientes caliente y fría que entran por separado a este intercambiador salenmezcladas en una sola.

El análisis de los intercambiadores de tipo abierto involucra la ley de la conservación dela masa y la primera ley de la termodinámica; no se necesitan ecuaciones de relaciónpara el análisis o diseño de este tipo de intercambiador.

INTERCAMBIADORES DE TIPO CERRADO O RECUPERADORES. 

Los intercambiadores de tipo cerrado son aquellos en los cuales ocurre transferencia decalor entre dos corrientes fluidas que no se mezclan o que no tienen contacto entre sí.

Las corrientes de fluido que están involucradas en esa forma están separadas entre sí poruna pared de tubo, o por cualquier otra superficie que por estar involucrada en el caminode la transferencia de calor.

En consecuencia, la transferencia de calor ocurre por la convección desde el fluido máscliente a la superficie sólida, por conducción a través del sólido y de ahí por conveccióndesde la superficie sólida al fluido más frío.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES. 

Los intercambiadores de calor se pueden clasificar basándose en: clasificación por ladistribución de flujo. Tenemos cuatro tipos de configuraciones más comunes en latrayectoria del flujo.

En la distribución de flujo en paralelo, los fluidos caliente y frío, entran por el mismo

extremo del intercambiador, fluyen a través de él en la misma dirección y salen por elotro extremo.

En la distribución en contracorriente, los fluidos caliente y frío entran por los extremosopuestos del intercambiador y fluyen en direcciones opuestas.

En la distribución en flujo cruzado de un solo paso, un fluido se desplaza dentro delintercambiador perpendicularmente a la trayectoria del otro fluido.

En la distribución en flujo cruzado de paso múltiple, un fluido se desplazatransversalmente en forma alternativa con respecto a la otra corriente de fluido.

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Clasificación según su aplicación. Para caracterizar los intercambiadores de calorbasándose en su aplicación se utilizan en general términos especiales. Los términosempleados para los principales tipos son:

Calderas: Las calderas de vapor son unas de las primeras aplicaciones de los

intercambiadores de calor. Con frecuencia se emplea el término generador de vapor parareferirse a las calderas en las que la fuente de calor es una corriente de un flujo calienteen vez de los productos de la combustión a temperatura elevada.

Condensadores: Los condensadores se utilizan en aplicaciones tan variadas comoplantas de fuerza de vapor, plantas de proceso químico y plantas eléctricas nuclearespara vehículos espaciales. Los tipos principales son los condensadores de superficie, loscondensadores de chorro y los condensadores evaporativos.

El tipo más común es el condensador de superficie que tiene la ventaja de que elcondensado sé recircula a la caldera por medio del sistema de alimentación.

Intercambiadores de calor de coraza y tubos: Las unidades conocidas con estenombre están compuestas en esencia por tubos de sección circular montados dentro deuna coraza cilíndrica con sus ejes paralelos al aire de la coraza.

Los intercambiadores de calor líquido-líquido pertenecen en general a este grupo ytambién en algunos casos los intercambiadores gas-gas.

Son muy adecuados en las aplicaciones en las cuales la relación entre los coeficientes detransferencia de calor de las dos superficies o lados opuestos es generalmente del ordende 3 a 4 y los valores absolutos son en general menores que los correspondientes a losintercambiadores de calor líquido-líquido en un factor de 10 a 100, por lo tanto serequiere un volumen mucho mayor para transferir la misma cantidad de calor.

Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador; las diferencias dependen dela distribución de configuración de flujo y de los aspectos específicos de construcción.La configuración mas común de flujo de intercambiadores líquido-líquido de coraza ytubos.

Un factor muy importante para determinar el número de pasos del flujo por el lado delos tubos es la caída de presión permisible. El haz de tubos está provisto de deflectores

para producir de este modo una distribución uniforme del flujo a través de él.

Torres de enfriamiento: Las torres de enfriamiento se han utilizado ampliamente paradesechar en la atmósfera el calor proveniente de procesos industriales en vez de hacerloen el agua de un río, un lago o en el océano.

Los tipos más comunes son las torres de enfriamiento por convección natural y porconvección forzada.

En la torre de enfriamiento por convección natural el agua se pulveriza directamente enla corriente de aire que se mueve a través de la torre de enfriamiento por convección

térmica. Al caer, las gotas de agua se enfrían tanto por convección ordinaria como porevaporación.

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La plataforma de relleno situada dentro de la torre de enfriamiento reduce la velocidadmedia de caída de las gotas y por lo tanto aumenta el tiempo de exposición de gotas a lacorriente de aire en la torre.

Se han construido grandes torres de enfriamiento del tipo de convección natural de más

de 90 m de altura para desechar el calor proveniente de plantas de fuerza.

En una torre de enfriamiento por convección forzada se pulveriza el agua en unacorriente de aire producida por un ventilador, el cual lo hace circular a través de la torre.

El ventilador puede estar montado en la parte superior de la torre aspirando así el airehacia arriba, o puede estar en la base por fuerza de la torre obligando al aire a que fluyadirectamente hacia dentro.

Intercambiadores compactos de calor: La importancia relativa de criterios talescomo potencia de bombeo, costo, peso y tamaño de un intercambiador de calor varía

mucho de una instalación a otra, por lo tanto no es siempre posible generalizar talescriterios con respecto a la clase de aplicación.

Cuando los intercambiadores se van a emplear en la aviación, en la marina o envehículos aerospaciales, las consideraciones de peso y tamaño son muy importantes.

Con el fin de aumentar el rendimiento del intercambiador se fijan aletas a la superficiede menor coeficiente de transferencia de calor.

Las dimensiones de la matriz del intercambiador así como el tipo, tamaño ydimensiones apropiadas de las aletas varían con la aplicación específica. Se handiseñado varios tipos que se han utilizado en numerosas aplicaciones.

Radiadores para plantas de fuerza espaciales: La remoción del calor sobrante en elcondensador de una planta de fuerza que produce la electricidad para la propulsión, elcomando y el equipo de comunicaciones de un vehículo espacial presenta problemasserios aún en plantas que generan sólo unos pocos kilovatios de electricidad.

La única forma de disipar el calor sobrante de un vehículo espacial es mediante laradiación térmica aprovechando la relación de la cuarta potencia entre la temperaturaabsoluta de la superficie y el flujo de calor radiante.

Por eso en la operación de algunas plantas de fuerza de vehículos espaciales el ciclotermodinámico se realiza a temperaturas tan altas que el radiador permanece al rojo.Aún así es difícil de mantener el tamaño del radiador para vehículos espaciales dentrode valores razonables.

Regeneradores: En los diversos tipos de intercambiadores que hemos discutido hastael momento, los fluidos frío y caliente están separados por una pared sólida, en tantoque un regenerador es un intercambiador en el cual se aplica un tipo de flujo periódico.Es decir, el mismo espacio es ocupado alternativamente por los gases calientes y fríosentre los cuales se intercambia el calor.

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En general los regeneradores se emplean para recalentar el aire de las plantas de fuerzade vapor, de los hornos de hogar abierto, de los hornos de fundición o de los altoshornos y además en muchas otras aplicaciones que incluyen la producción de oxígeno yla separación de gases a muy bajas temperaturas.

Para los intercambiadores estacionarios convencionales basta con definir lastemperaturas de entrada y salida, las tasas de flujo, los coeficientes de transferencia decalor de los dos fluidos y las áreas superficiales de los dos lados del intercambiador.Pero para los intercambiadores rotatorios es necesario relacionar la capacidad térmicadel rotor con la de las corrientes de los fluidos, las tasas de flujo y la velocidad derotación.

EFECTIVIDAD DE UN INTERCAMBIADOR. 

La efectividad de transferencia de calor se define como la razón de la transferencia decalor lograda en un intercambiador de calor a la máxima transferencia posible, si sedispusiera de área infinita de transferencia de calor.

A la mayor razón de capacidad se le designa mediante C y a la menor capacidadmediante c.

En el caso del contra flujo, es aparente que conforme se aumenta el área delintercambiador de calor, la temperatura de salida del fluido mismo se aproxima a latemperatura de entrada del fluido máximo en el límite conforme el área se aproxima alinfinito.

En el caso del flujo paralelo, un área infinita solo significa que la temperatura de ambosfluidos sería la lograda si se permitiera que ambos se mezclaran libremente en unintercambiador de tipo abierto.

Para dichos cálculos se encuentran expresiones aritméticas que expresan la transferenciade calor lograda, por diferentes tipos de intercambiadores de calor.

ECONOMIZADORES EN CALDERAS. 

Los economizadores se instalan en el flujo de gas de escape de la caldera; toman calorde los gases del tiro y lo transfieren por medio de elementos de superficie extendida alagua de alimentación inmediatamente antes de la entrada a la caldera. Por tanto, loseconomizadores aumentan la eficiencia de la caldera y tienen la ventaja adicional dereducir el choque térmico.

En las calderas de tubo de agua los economizadores pueden incorporarse en laestructura de la caldera o suministrarse como unidad independiente. En las calderas decasco son unidades discretas instaladas entre la salida del gas de tiro de la caldera y lachimenea.

La figura 15.133 es un diagrama de una unidad de este tipo. Se pueden usareconomizadores para calderas de corriente tanto forzada como inducida y en ambos

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casos debe tenerse en cuenta la caída de presión por el economizador al determinar eltamaño de los ventiladores.

En las calderas de tubo de agua pueden usarse economizadores si se quema carbón,aceite o gas. El material para el economizador dependerá del combustible; puede sertotalmente de acero, totalmente de hierro colado o de acero protegido con hierro colado.Se usaría una construcción de puro acero con gases no corrosivos prevenientes de lacombustión de gas natural, aceite ligero y carbón. Se puede usar hierro colado si lacondición del agua de alimentación es incierta y cabe la posibilidad de que ataque el

barreno del tubo. Los combustibles pueden ser aceite combustible pesado o carbón, yexiste la posibilidad de que las temperaturas del metal caigan por debajo del punto derocío ácido.

Se usa acero protegido con hierro colado cuando se requiere quemar aceite, combustiblepesado o combustible sólido y las condiciones del agua de alimentación estándebidamente controladas. Dado que el hierro colado puede resistir cierto grado deataque ácido, estas unidades tienen la ventaja de poder operar sin una derivación de gasen los casos den que se usan suministros interruptibles de gas natural con aceite comorespaldo.

Si se instala un economizador, es indispensable tener agua pasando por la unidad entodo momento mientras los quemadores están operando, a fin de evitar la ebullición. Portanto, las calderas provistas de economizadores cuentan con un control modulador delagua de almacenamiento. Aun así cabe la posibilidad de que las necesidades de flujo deagua no estén en fase con el régimen de operación de los quemadores. A fin de evitardaños, una válvula controlada por temperatura permite verter agua de vuelta en eltanque de alimentación, manteniendo así un flujo de agua a través de la unidad. Todoeconomizador debe contar con una válvula de seguridad para aliviar la presión.

SUPERCALENTADORES. 

El vapor de agua producido por una caldera se califica como seco saturado y sutemperatura corresponde a la presión de trabajo de la caldera. En algunos casos, sobre

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todo en las calderas de casco, esto es perfectamente aceptable. Sin embargo, hayocasiones en las que es deseable aumentar la temperatura del vapor sin aumentar lapresión. Esta es la función del supercalentador.

Diodo

Diodo

Diodo en primer plano. Nótese la forma cuadrada del cristal semiconductor (objeto

negro de la izquierda). 

Tipo Semiconductor

Principio de funcionamiento Efecto Edison

Fecha de invención John Ambrose Fleming (1904)

Símbolo electrónico

Configuración Ánodo y Cátodo 

Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de lacorriente

eléctrica a través de él en un sentido. Este término generalmente se usa para referirse al diodo

semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de

cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. El diodo de vacío (que actualmente ya

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no se usa, excepto para tecnologías de alta potencia) es un tubo de vacíocon dos electrodos: una

lámina como ánodo, y un cátodo. 

De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones: por debajo

de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encimade ella como un circuito cerrado con una resistencia eléctrica muy pequeña.Debido a este

comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de

suprimir la parte negativa de cualquier señal, como paso inicial para convertir una corriente

alterna en corriente continua. Su principio de funcionamiento está basado en los experimentos

de Lee De Forest. 

Los primeros diodos eran válvulas o tubos de vacío, también llamados válvulas

termoiónicasconstituidos por dos electrodos rodeados de vacío en un tubo de cristal, con un aspecto

similar al de las lámparas incandescentes. El invento fue desarrollado en 1904 por John AmbroseFleming, empleado de la empresa Marconi, basándose en observaciones realizadas por Thomas

Alva Edison. 

Al igual que las lámparas incandescentes, los tubos de vacío tienen un filamento (el cátodo) a través

del cual circula la corriente, calentándolo por efecto Joule. El filamento está tratado conóxido de

bario, de modo que al calentarse emite electrones al vacío circundante los cuales son

conducidos electrostáticamente hacia una placa, curvada por un muelle doble, cargada

positivamente (el ánodo), produciéndose así la conducción. Evidentemente, si el cátodo no se

calienta, no podrá ceder electrones. Por esa razón, los circuitos que utilizaban válvulas de vacíorequerían un tiempo para que las válvulas se calentaran antes de poder funcionar y las válvulas se

quemaban con mucha facilidad.

Contenido

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1 Historia 

2 Diodos termoiónicos y de estado gaseoso 

3 Diodo semiconductor o  3.1 Polarización directa de un diodo 

o  3.2 Polarización inversa de un diodo 

o  3.3 Curva característica del diodo 

o  3.4 Modelos matemáticos 

4 Tipos de diodo semiconductor 

5 Aplicaciones del diodo 

6 Referencias 

7 Enlaces externos 

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[editar]Historia

Diodo de vacío, usado comúnmente hasta la invención del diodo semiconductor, este último también llamado

diodo sólido.

Aunque el diodo semiconductor de estado sólido se popularizó antes del diodo termoiónico, ambos

se desarrollaron al mismo tiempo.

En 1873 Frederick Guthrie descubrió el principio de operación de los diodos térmicos. Guhtrie

descubrió que un electroscopio cargado positivamente podría descargarse al acercarse una pieza

de metal caliente, sin necesidad de que este lo tocara. No sucedía lo mismo con un electroscopio

cargado negativamente, reflejando esto que el f lujo de corriente era posible solamente en una

dirección.

Independientemente, el 13 de febrero de 1880 Thomas Edison re-descubre el principio. A su vez,

Edison investigaba por qué los filamentos de carbón de las bombillas se quemaban al final del

terminal positivo. El había construido una bombilla con un filamento adicional y una con una lámina

metálica dentro de la lámpara, eléctricamente aislada del filamento. Cuando uso este dispositivo, el

confirmó que una corriente fluía del filamento incandescente a través del vació a la lámina metálica,

pero esto solo sucedía cuando la lámina estaba conectada positivamente.

Edison diseño un circuito que reemplaza la bombilla por un resistor con un voltímetro de DC. Edison

obtuvo una patente para este invento en 1884. Aparentemente no tenía uso práctico para esa

época. Por lo cual, la patente era probablemente para precaución, en caso de que alguien

encontrara un uso al llamado Efecto Edison. 

Aproximadamente 20 años después, John Ambrose Fleming (científico asesor de MarconiCompanyy antiguo empleado de Edison) se dio cuenta que el efecto Edison podría usarse como un

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radio detector de precisión. Fleming patentó el primer diodo termoiónico en  Britain el 16 de

noviembre de 1904.

En 1874 el científico alemán Karl Ferdinand Braun descubrió la naturaleza de conducir por una sola

dirección de los cristales semiconductores. Braun patentó el rectificador de cristal en 1899.Los rectificadores de óxido de cobre y selenio fueron desarrollados para aplicaciones de alta

potencia en la década de los 1930.

El científico indio Jagdish Chandra Bose fue el primero en usar un cristal semiconductor para

detectar ondas de radio en 1894. El detector de cristal semiconductor fue desarrollado en un

dispositivo práctico para la recepción de señales inalámbricas por Greenleaf Whittier Pickard, quién

inventó un detector de cristal de silicio en 1903 y recibió una patente de ello el 20 de noviembre de

1906. Otros experimentos probaron con gran variedad de sustancias, de las cuales se usó

ampliamente el mineral galena. Otras sustancias ofrecieron un rendimiento ligeramente mayor, peroel galena fue el que más se usó porque tenía la ventaja de ser barato y fácil de obtener. Al principio

de la era del radio, el detector de cristal semiconductor consistía de un cable ajustable (el muy

nombrado bigote de gato) el cual se podía mover manualmente a través del cristal para así obtener

una señal óptima. Este dispositivo problemático fue rápidamente superado por los diodos

termoiónicos, aunque el detector de cristal semiconductor volvió a usarse frecuentemente con la

llegada de los económicos diodos de germanio en la década de 1950.

En la época de su invención, estos dispositivos fueron conocidos como rectificadores. En

1919, William Henry Eccles acuñó el término diodo del griego dia , que significa separado, y ode (deὅδος), que significa camino. 

[editar]Diodos termoiónicos y de estado gaseoso

Símbolo de un diodo de vacío o gaseoso. De arriba a abajo, sus componentes son, el ánodo, el cátodo, y el

filamento.

Los diodos termoiónicos son dispositivos de válvula termoiónica (también conocida como tubo de

vacío), que consisten en un arreglo de electrodos empacados en un vidrio al vacío. Los primeros

modelos eran muy parecidos a la lámpara incandescente. 

En los diodos de válvula termoiónica, una corriente a través del filamento que se va a calentar

calienta indirectamente el cátodo, otro electrodo interno tratado con una mezcla de Bario y óxido de

estroncio, los cuales son óxidos alcalinotérreos; se eligen estas substancias porque tienen una

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pequeña función de trabajo (algunas válvulas usan calentamiento directo, donde un fi lamento de

tungsteno actúa como calentador y como cátodo). El calentamiento causa emisión termoiónica de

electrones en el vacío. En polarización directa, el ánodo estaba cargado positivamente por lo cual

atraía electrones. Sin embargo, los electrones no eran fácilmente transportados de la superficie del

ánodo que no estaba caliente cuando la válvula termoiónica estaba en polarización inversa.

Además, cualquier corriente en este caso es insignificante.

En la mayoría del siglo 20 los diodos de válvula termoiónica se usaron en aplicaciones de señales

análogas, rectificadores y potencia. Hasta el día de hoy, los diodos de válvula solamente se usan en

aplicaciones exclusivas como rectificadores en guitarras eléctricas, amplificadores de audio, así

como equipo especializado de alta tensión.

[editar]Diodo semiconductor

Formación de la región de agotamiento, en la gráfica z.c.e. 

Un diodo semiconductor moderno está hecho de cristal semiconductor como el silicio con impurezas

en él para crear una región que contiene portadores de carga negativos (electrones), llamado

semiconductor de tipo n, y una región en el otro lado que contiene portadores de carga positiva

(huecos), llamado semiconductor tipo p. Las terminales del diodo se unen a cada región. El límite

dentro del cristal de estas dos regiones, llamado una unión PN, es donde la importancia del diodotoma su lugar. El cristal conduce una corriente de electrones del lado n (llamado cátodo), pero no en

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la dirección opuesta; es decir, cuando una corriente convencional fluye del ánodo al cátodo (opuesto

al flujo de los electrones).

Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión deelectrones del cristal n al p (Je). Al establecerse

una corriente de difusión, estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de launión, zona que recibe el nombre de región de agotamiento.

A medida que progresa el proceso de difusión, la región de agotamiento va incrementando su

anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de

iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que

actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento,

que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.

Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p

y n. Esta diferencia de potencial (VD) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V para los cristales

de germanio. 

La anchura de la región de agotamiento una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del orden de

0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga

espacial es mucho mayor.

Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está

polarizado, pudiendo ser la polarización directa oinversa.

[editar]Polarización directa de un diodo

Polarización directa del diodo pn.

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En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo

el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente

conduce la electricidad.

Para que un diodo esté polarizado directamente, se debe conectar el polo positivo de la batería alánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que:

  El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos

electrones se dirigen hacia la unión p-n.

  El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente

a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.

  Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de

potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía

suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia

la unión p-n.

  Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga

espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de

valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se

desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el

hilo conductor y llega hasta la batería.

De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de

valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final.

[editar]Polarización inversa de un diodo

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Polarización inversa del diodo pn.

En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo

que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el

valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación:

  El polo positivo de la batería atrae a los  electrones libres de la zona n, los cuales salen del

cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A

medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran

neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad

(8 electrones en la capa de valencia, versemiconductor y átomo) y una carga eléctrica neta de

+1, con lo que se convierten en iones positivos.

  El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p.

Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han

formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de

valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco . El caso es que cuando los

electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo

que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una

carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos.

  Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el

mismo potencial eléctrico que la batería.

En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de

la temperatura se formarán pares electrón-hueco (ver semiconductor) a ambos lados de la unión

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produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominada corriente inversa de

saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como

su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la

superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro

enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie

del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los

electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de

saturación, la corriente superficial de fuga es despreciable.

[editar]Curva característica del diodo

Curva característica del diodo.

  Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ ).

La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de polarización directa coincide en

valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado. Al polarizar

directamente el diodo, la barrera de potencial inicial se va reduciendo, incrementando la

corriente ligeramente, alrededor del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la tensión externa

supera la tensión umbral, la barrera de potencial desaparece, de forma que para pequeños

incrementos de tensión se producen grandes variaciones de la intensidad de corriente.

  Corriente máxima (Imax ).

Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por elefecto

Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, depende sobre

todo del diseño del mismo.

  Corriente inversa de saturación (Is ).

Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación de

pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada incremento

de 10º en la temperatura.

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  Corriente superficial de fugas.

Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización inversa), esta

corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta

la corriente superficial de fugas.

  Tensión de ruptura (Vr ).

Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha.

Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa de saturación;

en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el diodo normal o de unión 

abrupta la ruptura se debe al efecto avalancha; no obstante hay otro tipo de diodos, como los Zener,

en los que la ruptura puede deberse a dos efectos:

  Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarización inversa se generan pares electrón-

hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada los

electrones se aceleran incrementando su energía cinética de forma que al chocar con

electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones

liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de

valencia y liberándolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones que provoca una

corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V.

  Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material, menor es la anchura

de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la

tensión V entre la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el

campo eléctrico será grande, del orden de 3·105 V/cm. En estas condiciones, el propio campo

puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose la corriente. Este efecto

se produce para tensiones de 4 V o menores.

Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, como los Zener, se

puede producir por ambos efectos.

[editar]Modelos matemáticos

El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a William Bradford Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las aplicaciones. La ecuación

que liga la intensidad de corriente y la diferencia de potencial es:

Donde:

  I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo

  V D es la diferencia de tensión entre sus extremos.

  I S es la corriente de saturación (aproximadamente 10 − 12 A)

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  n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que suele

adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio).

El Voltaje térmico V T  es aproximadamente 25.85mV en 300K, una temperatura cercana a la

temperatura ambiente, muy usada en los programas de simulación de circuitos. Para cada

temperatura existe una constante conocida definida por:

Donde k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta de la unión pn, y q es la

magnitud de la carga de un electrón (la carga elemental).

La ecuación de diodo ideal de Schockley o la ley de diodo se deriva de asumir que solo los

procesos que le dan corriente al diodo son por el flujo (debido al campo eléctrico), difusión, y la

recombinación térmica. También asume que la corriente de recombinación en la región de

agotamiento es insignificante. Esto significa que la ecuación de Schockley no tiene en cuenta

los procesos relacionados con la región de ruptura e inducción por fotones. Adicionalmente, no

describe la estabilización de la curva I-V en polarización activa debido a la resistencia interna.

Bajo voltajes negativos, la exponencial en la ecuación del diodo es insignificante. y la corriente

es una constante negativa del valor de Is. La región de ruptura no esta modelada en la

ecuación de diodo de Schockley.

Para voltajes pequeños en la región de polarización directa, se puede eliminar el 1 de la

ecuación, quedando como resultado:

Con objeto de evitar el uso de exponenciales, en ocasiones se emplean modelos más

simples aún, que modelan las zonas de funcionamiento del diodo por tramos rectos; son

los llamados modelos de continua o de Ram-señal. El más simple de todos es el diodo 

ideal .

[editar]Tipos de diodo semiconductor

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Varios diodos semiconductores. Abajo: Un puente rectificador. En la mayoría de los diodos, el

terminal cátodose indica pintando una franja blanca o negra.

Existen varios tipos de diodos, que pueden diferir en su aspecto físico, impurezas, uso de

electrodos, que tienen características eléctricas particulares usados para una aplicación

especial en un circuito. El funcionamiento de estos diodos es fundamentado por

principios de la mecánica cuántica y teoría de bandas. 

Los diodos normales, los cuales operan como se describía más arriba, se hacen

generalmente de silicio dopado o germanio. Antes del desarrollo de estos diodosrectificadores de silicio, se usaba elóxido cuproso y el selenio: su baja eficiencia le dio

una caída de tensión muy alta (desde 1,4 a 1,7V) y requerían de una gran disipación de

calor mucho más grande que un diodo de silicio. La gran mayoría de los diodos pn se

encuentran en circuitos integrados CMOS, que incluyen dos diodos por pin y muchos

otros diodos internos.

  Diodo avalancha: Diodos que conducen en dirección contraria cuando el voltaje en

inverso supera el voltaje de ruptura. Electricámente son similares a los diodos Zener,

pero funciona bajo otro fenómeno, el efecto avalancha. Esto sucede cuando el

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campo eléctrico inverso que atraviesa la unión p-n produce una onda de ionización,

similar a una avalancha, produciendo una corriente. Los diodos avalancha están

diseñados para operar en un voltaje inverso definido sin que se destruya. La

diferencia entre el diodo avalancha (el cual tiene un voltaje de reversa de

aproximadamente 6.2V) y el diodo zener es que el ancho del canal del primero

excede la "libre asociación" de los electrones, por lo que se producen colisiones

entre ellos en el camino. La única diferencia práctica es que los dos tienen

coeficientes de temperatura de polaridades opuestas.

  Diodo de Silicio: Suelen tener un tamaño milimétrico y, alineados, constituyen

detectores multicanal que permiten obtener espectros en milisegundos. Son menos

sensibles que los fotomultiplicadores. Es un semiconductor de tipo p (con huecos) en

contacto con un semiconductor de tipo n (electrones). La radiación comunica laenergía para liberar los electrones que se desplazan hacia los huecos, estableciendo

una corriente eléctrica proporcional a la potencia radiante.Suelen tener un tamaño

milimétrico y, alineados, constituyen detectores multicanal que permiten obtener

espectros en milisegundos. Son menos sensibles que los fotomultiplicadores. Es un

semiconductor de tipo p (con huecos) en contacto con un semiconductor de tipo n

(electrones). La radiación comunica la energía para liberar los electrones que se

desplazan hacia los huecos, estableciendo una corriente eléctrica proporcional a la

potencia radiante.

  Diodo de cristal: Es un tipo de diodo de contacto. El diodo cristal consiste de un

cable de metal afilado presionado contra un cristal semiconductor,

generalmente galena o de una parte de carbón. El cable forma el ánodo y el cristal

forma el cátodo. Los diodos de cristal tienen una gran aplicación en los radio a

galena. Los diodos de cristal están obsoletos, pero puede conseguirse todavía de

algunos fabricantes.

  Diodo de corriente constante: Realmente es un JFET, con su compuertaconectada a la fuente, y funciona como un limitador de corriente de dos terminales

análogo al diodo Zener, el cual limita el voltaje. Ellos permiten una corriente a través

de ellos para alcanzar un valor adecuado y así estabilizarse en un valor específico.

También suele llamarse CLDs (por sus siglas en inglés) o diodo regulador de

corriente.

  Diodo túnel o Esaki: Tienen una región de operación que produce una resistencia

negativa debido al efecto túnel, permitiendo amplificar señales y circuitos muy

simples que poseen dos estados. Debido a la alta concentración de carga, los diodos

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túnel son muy rápidos, pueden usarse en temperaturas muy bajas, campos

magnéticos de gran magnitud y en entornos con radiación alta. Por estas

propiedades, suelen usarse en viajes espaciales.

  Diodo Gunn: Similar al diodo túnel son construidos de materiales como GaAs o InP

que produce una resistencia negativa. Bajo condiciones apropiadas, las formas de

dominio del dipolo y propagación a través del diodo, permitiendo osciladores de

ondas microondas de alta frecuencia.

  Diodo emisor de luz: En un diodo formado de un semiconductor con huecos en su

banda de energía, tal como arseniuro de galio, los portadores de carga que cruzan la

unión emiten fotones cuando se recombinan con los portadores mayoritarios en el

otro lado. Dependiendo del material, la longitud de onda que se pueden producirvaría desde el infrarrojo hasta longitudes de onda cercanas alultravioleta. El

potencial que admiten estos diodos dependen de la longitud de onda que ellos

emiten: 2.1V corresponde al rojo, 4.0V al violeta. Los primeros LEDs fueron rojos y

amarillos. Los LEDs blancos son en realidad combinaciones de tres LEDs de

diferente color o un LED azul revestido con un centelleador amarillo. Los LEDs

también pueden usarse como fotodiodos de baja eficiencia en aplicaciones de

señales. Un LED puede usarse con un fotodiodo o fototransistor para formar

un optoacoplador. 

  Diodo láser: Cuando la estructura de un LED se introduce en una cavidad resonante

formada al pulir las caras de los extremos, se puede formar un  láser. Los diodos

láser se usan frecuentemente en dispositivos de almacenamiento ópticos y para la

comunicación óptica de alta velocidad.

  Diodo térmico: Este término también se usa para los diodos convencionales usados

para monitorear la temperatura a la variación de voltaje con la temperatura, y para

refrigeradores termoeléctricos para la refrigeración termoeléctrica. Los refrigeradorestermoeléctricos se hacen de semiconductores, aunque ellos no tienen ninguna unión

de rectificación, aprovechan el comportamiento distinto de portadores de carga de

los semiconductores tipo P y N para transportar el calor.

  Fotodiodos: Todos los semiconductores están sujetos a portadores de carga

ópticos. Generalmente es un efecto no deseado, por lo que muchos de los

semiconductores están empacados en materiales que bloquean el paso de la luz.

Los fotodiodos tienen la función de ser sensibles a la luz (fotocelda), por lo que están

empacados en materiales que permiten el paso de la luz y son por lo general PIN

(tipo de diodo más sensible a la luz). Un fotodiodo puede usarse en celdas solares,

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en fotometría o en comunicación óptica. Varios fotodiodos pueden empacarse en un

dispositivo como un arreglo lineal o como un arreglo de dos dimensiones. Estos

arreglos no deben confundirse con los dispositivos de carga acoplada. 

  Diodo con puntas de contacto: Funcionan igual que los diodos semiconductores

de unión mencionados anteriormente aunque su construcción es más simple. Se

fabrica una sección de semiconductor tipo n, y se hace un conductor de punta aguda

con un metal del grupo 3 de manera que haga contacto con el semiconductor. Algo

del metal migra hacia el semiconductor para hacer una pequeña región de tipo p

cerca del contacto. El muy usado 1N34 (de fabricación alemana) aún se usa en

receptores de radio como un detector y ocasionalmente en dispositivos analógicos

especializados.

  Diodo PIN: Un diodo PIN tiene una sección central sin doparse o en otras palabras

una capa intrínseca formando una estructura p-intrinseca-n. Son usados como

interruptores de alta frecuencia y atenuadores. También son usados como

detectores de radiación ionizante de gran volumen y como fotodetectores. Los

diodos PIN también se usan en la electrónica de potencia y su capa central puede

soportar altos voltajes. Además, la estructura del PIN puede encontrarse en

dispositivos semiconductores de potencia, tales comoIGBTs, MOSFETs de potencia

y tiristores. 

  Diodo Schottky: El diodo Schottky están construidos de un metal a un contacto de

semiconductor. Tiene una tensión de ruptura mucho menor que los diodos pn. Su

tensión de ruptura en corrientes de 1mA está en el rango de 0.15V a 0.45V, lo cual

los hace útiles en aplicaciones de fijación y prevención de saturación en un

transistor. También se pueden usar como rectificadores con bajas pérdidas aunque

su corriente de fuga es mucho más alta que la de otros diodos. Los diodos Schottky

son portadores de carga mayoritarios por lo que no sufren de problemas de

almacenamiento de los portadores de carga minoritarios que ralentizan la mayoríade los demás diodos (por lo que este tipo de diodos tiene una recuperación inversa

más rápida que los diodos de unión pn. Tienden a tener una capacitancia de unión

mucho más baja que los diodos pn que funcionan como interruptores veloces y se

usan para circuitos de alta velocidad comofuentes conmutadas, mezclador de

frecuencias y detectores.

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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DE

EDUCACIÓN, CULTURA Y DEPORTESUNIVERSIDAD "GRAN MARISCALDE AYACUCHO"FACULTAD DE INGENIERÍA 

COEFICIENTES, INTERCAMBIADORES DE CALOR Y CALDERAS 

Barcelona; 01 de Febrero del 2002 

INTRODUCCIÓN 

Los Intercambiadores de Calor son aparatos que permiten el calentamiento oenfriamiento de un fluido (líquido o gas) por medio de otro fluido a diferentetemperatura y separado por una pared metálica.

La mayoría de las industrias químicas la trasmisión de calor se efectúa por medio deintercambiadores de calor y el más común de todos es el formado por dos tubosconcéntricos, por uno de los cuales pasa el líquido a enfriar y por otro se hace circular lacorriente refrigerante.

Las Calderas son transformadores de energía térmica capaces de transferir de formaconveniente el calor producido por una combustión o generado por otro fenómenoquímico o físico a un fluido (generalmente agua) destinado a ceder la energía recibidaen forma térmica o mecánica y luego utilizada en múltiples empleos.

Las Calderas industriales son instalaciones mucho más complicadas y transforman laenergía térmica que en ellas se genera en energía potencial mecánica, ya que su fluidoestá destinado a desarrollar trabajo mecánico, y sale en forma de vapor.

La Gran energía contenida en el vapor puede ser liberada en forma de trabajo deexpansión y equivale a la energía térmica cedida por la caldera al fluido. Con muchapropiedad las calderas industriales se denominan Generadores de Vapor.

Los fenómenos que tiene lugar en el funcionamiento de una caldera son cuatro:combustión, trasmisión del calor entre fluidos en movimiento, evaporación ysobrecalentamiento.

Para la combustión en la caldera se emplea: el calor fósil, los aceites pesados, el gasnatural y raramente el lignito.

DESARROLLO 

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CUAL ES SIGNIFICADO DEL COEFICIENTE GLOBAL DETRANSFERENCIA DE CALOR “U”. QUE VARIABLES DETERMINAN ELCOEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR. COEFICIENTEDE PELÍCULA “H” Y SU DIFERENCIA CON EL COEFICIENTE GLOBAL“U”. 

Para diseñar o predecir el rendimiento de un intercambiador de calor, es esencialrelacionar la transferencia total de calor con cantidades como el coeficiente global detransferencia de calor donde:

1/U - 1/hh + T/h +1/hc, 

Son los coeficientes convectivos de transferencia de calor en el lado caliente y en ellado frío de la pared metálica. El coeficiente de transferencia de calor total paraintercambiadores de calor depende no solo de los coeficientes convectivos detransferencia de calor, sino además de las superficies interior y exterior del tubo.

El coeficiente de transferencia de calor total es importante ya que nos proporciona lacantidad total de calor transferido cuando se multiplica este por área de la superficie delexterior del tubo y T.

Desde el punto de vista del diseño del intercambiador de calor, puede estar basado, tantoen el área del interior del tubo como la exterior.

Aunque los diseños finales de los intercambiadores de calor dependen ampliamente delos cálculos de “U”, resulta de utilidad disponer de valores tabulados del coeficiente

global para varias situaciones que se puedan encontrar en la práctica.

 Factores de Obstrucción. 

las superficies de transferencia de calor de un intercambiador de calor pueden llegar arecubrirse con varios depósitos presentes en las corrientes o las superficies puedencorroerse como resultado de la interacción entre los fluidos y el material empleado en lafabricación y diseño del intercambiador.

El efecto global se representa generalmente mediante un factor de suciedad o resistenciade suciedad, Rf. Que debe incluirse junto con las otras resistencias térmicas para

obtener el coeficiente global de transferencia de calor.

Los factores de suciedad se tienen que obtener experimentalmente, la determinación delos valores de “U” del intercambiador de calor, tanto en condiciones de limpieza como

en suciedad.

 El factor de suciedad queda definido entonces como: 

Rf: 1/Sucio - 1/Limpio 

Se debería destacar que el valor de “U” viene determinado en muchos casos por solo

uno de los coeficientes de transferencia de calor por convección.

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En la mayoría de los problemas prácticos la resistencia a la conducción es pequeñacomparada con la resistencia a la convección. Si uno de los valores de “h” es

notablemente mas bajo que otro tenderá a dominar en la ecuación de “U” donde: 

Ui: Coeficiente global de transferencia de calor interna.

Ue: Coeficiente global de transferencia de calor externa.

Ui 1 + Ai.Ln(re/ri) + Ai . 1 

hi 2kL Ae . he 

Ue 1 

Ae. 1 + Ae.Ln(re/ri) + 1 

Ai . hi 2kL he 

Donde,

hi: Nu.K he: 1.32 T 1/4

d d ¼ 

 Intercambiador de corrientes paralelas 

En este tipo de intercambiador la distribución de temperaturas caliente y fría semuestran en el siguiente diagrama:

Considerando una longitud diferencial del intercambiador térmico con un áreadiferencial, (dA).

El calor transmitido a través de esta área se puede expresar de tres manerasequivalentes, el calor medido por el fluido mas caliente, el calor recibido por el fluidomás frío y el calor que se transfiere en el intercambiador.

 Intercambiador de Calor Contracorriente. 

En este tipo de intercambiador se mantiene la transferencia de calor entre las partes máscalientes de los fluidos en un extremo, y así como entre las partes mas frías en el otro.

Las distribuciones de temperatura de los fluidos se muestran en el siguiente diagrama:

Se puede observar que conforme el área es mayor, la diferencia entre la distribución delas temperaturas de los fluidos más calientes y más frío se vuelve cada vez más pequeñay que en él limite del área finita, las líneas de distribución son coincidentes.

Esto quiere decir que el fluido caliente es enfriado hasta la temperatura de entrada del

fluido frío y este es calentado hasta la temperatura de entrada del fluido caliente.

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El cambiador de calor que presenta la transferencia térmica reversible en mayor grado,es el más eficiente y transmite así la mayor cantidad de calor posible para unadeterminada superficie de transferencia.

El cambio de calor a temperatura constante es el caso reversible, de manera que el

intercambiador térmico capaz de lograr esto, será el más eficiente desde el punto devista termodinámico.

Los cambiadores de calor a contracorriente transfieren energía térmica a temperaturaconstante, ningún otro cambiador se aproxima a este estado, de modo que elintercambiador de contracorriente es el de mayor eficacia o eficiencia.

La diferencia media de temperatura logarítmica proporciona una relación de ciertadiferencia de temperatura entre los estados de entrada y salida( T).

Cuando los intercambiadores de calor no son de una configuración geométrica simple,T " DTML por lo tanto es necesario modificarla mediante

un factor de corrección FC, este factor dependerá del tipo de intercambiador que serequiere, y su uso es a través de gráficas, además de que FC sirve de ayuda paraseleccionar el intercambiador más indicado para el proceso que se requiera.

INTERCAMBIADORES DE CALOR. CLASIFICACIÓN Y FUNCIONES 

Intercambiadores de calor. 

Estos son dispositivos que facilitan la transferencia de calor de una corriente de fluido aotra.

Los procesos de producción de energía, refrigeración, calefacción y acondicionamientode aire, elaboración de alimentos, elaboración de productor químicos, y elfuncionamiento de casi todos los vehículos dependen de diversos tipos deintercambiadores de calor.

 Los intercambiadores se clasifican normalmente de acuerdo con el arreglo del flujo y

el tipo de construcción. 

  Intercambiador de calor de tubos concéntricos. 

Flujo paralelo. Contraflujo.

  Intercambiador de calor de flujo cruzado. 

Con aletas y ambos fluidos sin mezclar. Sin aletas con un fluido mezclado y el otro sinmezclar.

  Intercambiador de calor de tubos y coraza. 

Con un paso por la coraza y un paso por los tubos (modo de operación contraflujocruzado).

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  Intercambiador de calor de tubos y coraza. 

Un paso por la coraza y dos paso por los tubos. Dos pasos por la coraza y cuatro pasospor los tubos.

  Cubiertas de intercambiadores de calor compactos. 

Tubo con aletas (tubos planos, aletas de placa continuas). Tubo con aletas (tuboscirculares, aletas de plata continuas). Tubos con aletas (tubos circulares, aletascirculares). Aletas de placa (un solo paso). Aletas de placa (multipaso).

  Intercambiador de calor de lámina de cierre tubular fija. 

Se utilizan con mayor frecuencia que los de cualquier otro tipo. Por lo común, seextienden más allá del casco y sirven como bridas a alas que se sujetan con pernos loscabezales del lado de los tubos. Utiliza una construcción de tipo de empaque ciego y

éste no es accesible al mantenimiento o el reemplazo, este tipo de unidad se utiliza paracondensadores superficiales de vapor, que funcionan en él vació.

El cabezal de lado del tubo se puede soldar a la lámina tubular, para cabezales de tipo Cy N. Este tipo de construcción es menos costosa que B y M o A y L, y le ofrece dé todosmodos la ventaja que los tubos se pueden examinar y reemplazar sin tocar lasconexiones de tuberías del lado del tubo. No hay limitaciones para el número de pasosdel lado de los tubos. Los tubos pueden llenar por completo el casco del intercambiadorde calor.

  Intercambiador de calor de tubo en U; El haz de tubo consiste en una láminatubular estacionaria, tubos en U, desviadores o placas de soporte y espaciadoresy tirantes apropiados. El haz de tubo se puede retirar del casco delintercambiador. Se proporciona un cabezal de lado del tubo y un casco concubiertas integrada, que se suelda al casco mismo. Cada tubo tiene libertad paradilatarse o contraerse, sin limitaciones debidas a la posición de los otros tubos.Tiene la ventaja de proporcionar franqueo mínimo entre el límite exterior yinterior del casco, para todas las construcciones de haces de tubos desmontables,reduce el número de juntas. En la construcción para altas presiones, estacaracterística es muy importante, puesto que reduce tanto el costo inicial comoel de mantenimiento.

  El calentador de succión de tanque; contiene un haz de tubo en U. Este tipo dediseño se utiliza con frecuencia en tanques de almacenamiento de aire libre, paracombustoleos pesados, alquitrán, melazas y fluidos similares, cuya viscosidad sedebe reducir para permitir el bombeo adecuado. Un extremo del casco delcalentador está abierto y el líquido que se calienta pasa por la parte externa delos tubos.

  Intercambiadores de anillo de cierre hidráulico; Esta construcción es lamenos costosa de los tipos de tubos y haz desmontable. Los fluidos del lado delcasco y el lado del tubo se retienen mediante anillos de empaque distintos

separados por un anillo de cierre hidráulico y se instalan en la lámina tubularflotante. Este tipo lleva orificio de purga y luego cae al piso, las fugas en los

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empaques no darán como resultado la mezcla de los dos fluidos al interior delintercambiador. La anchura de la lámina tubular flotante tiene que sersuficientemente grande para dejar margen para los empaques, el anillo de cierrehidráulico y la dilatación diferencial. El espacio entre el franqueo entre el límitedel tubo exterior y la parte interior del casco, es ligeramente mayor para los

intercambiadores de tubo en U y el de lámina tubular fija. El uso de un faldón delámina tubular flotante incrementa este espacio de franqueo. Sin el faldón, elfranqueo debe dejar un margen para la distorsión de orificio tubular durante ellaminado, cerca del borde exterior de la lámina tubular o para la soldadura delextremo del tubo en la lámina tubular flotante.

  Intercambiador de cabezal flotante exterior; El fluido del casco se retienemediante anillos de empaque, que se comprimen dentro de un prensaestopas,mediante un anillo seguidor de junta, esta construcción de haz desmontableacomoda la expansión diferencial entre el casco y los tubos y se utiliza paraservicio del lado del casco. No hay limitaciones sobre el número de pasos del

lado de los tubos o su presión y su temperatura de diseño, este diseño se utilizacon mayor frecuencia en las plantas químicas. El faldón del casco y el tuboflotante, cuando está en contacto con los anillos del empaque, tiene un acabadofino de maquinado. Se inserta un anillo dividido de corte en una ranura de faldónde la lámina tubular flotante. Una brida de respaldo, deslizante que se mantienenen servicio mediante una anillo de corte, se sujeta con pernos en la cubiertaexterior del cabezal flotante. La cubierta del cabezal flotante suele ser un discocircular.

  Intercambiador de cabezal flotante interno; El diseño del cabezal flotanteinterno se utiliza mucho en las refinerías petroleras. El haz de tubo esdesmontable y la lámina tubular flotante se desplaza para acomodar diferentesdilataciones entre el casco y los tubos. El límite de tubo exterior se acerca aldiámetro interno del empaque en la lámina tubular flotante. El anillo divididodes respaldo y un sistema de pernos retienen, por lo común, la cubierta delcabezal flotante en la lámina tubular flotante. Se sitúan más allá del casco ydentro de la cubierta del casco de diámetro mayor. Está última, el anillo divididode apoyo y la cubierta del cabezal flotador se deben retirar antes que pueda pasarel haz de tubos por el casco del intercambiador.

  Intercambiador de cabezal flotante extraíble; La fabricación es similar al

anterior, anillo dividido de respaldo, con la excepción de que la cubierta delcabezal flotador se sujeta directamente con pernos en la lámina tubular flotante.El haz de tubos se puede retirar del casco sin desmontar ni la cubierta ni el casconi la del cabezal flotador. Esta característica reduce el tiempo de mantenimientodurante la inspección y la reparaciones. Es espacio grande de franqueo entre lostubos y el casco deben dejar un margen tanto para el empaque como para lasujeción con pernos a la cubierta del cabezal flotador. Con frecuencia se utilizanbandas selladoras o tubos falsos para reducir la desviación del haz de tubo.

  Intercambiador de lámina tubular fija con tubo acodado: Los tubos seinstalan con una ligera curva. La dilatación diferencial afecta la cantidad de

acodamiento; pero se eliminan la necesidad de una junta de expansión o una

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lámina tubular flotante. La secciones del evaporador se hacen de este modo y seproduce el desescamado al flexionarse los tubos.

  Intercambiador de tubo de bayoneta; Este tipo de intercambiador es útilcuando hay una diferencia de temperatura considerable entre los fluidos del lado

del casco y el del tubo, puesto que todas las partes sujetas a la dilatacióndiferencial tienen libertad para moverse independientemente unas de otras. Estaconstrucción única no sufre fallas debida a la congelación del condensado delvapor, puesto que el vapor en el tubo interno de funcionamiento intermitente.Los costos son relativamente altos, puesto que sólo los tubos de gas exteriorestransmiten calor al fluido del lado del casco. Los tubos internos no tienensoportes. Los extremos se apoyan en placas de soporte o desviadorestradicionales.

  Intercambiadores de tubo en espiral: Consisten en un grupo de serpientesdevanados en espiral, que se conectan en general mediante múltiples. Las

características incluyen el flujo a contracorriente, la eliminación de lasdificultades provocadas por la dilatación diferencial, un tamaño pequeño y unavelocidad constante.

  Intercambiadores de membrana descendente. Los intercambiadores de calorde casco y tubo de membrana descendente el fluido entra por la parte superior delos tubos verticales. Los distribuidores o los tubos ranurados ponen el líquido enel flujo de la membrana sobre la superficie de los tubos y la membrana seadhiere a la superficie del tubo, mientras cae al fondo de él. La membrana sepuede enfriar, calentar, evaporar o congelar, con el medio apropiado detransferencia de calor fuera de los tubos. Se usan diseños de láminas tubularesfijas, con o sin junta de expansión y de cabezales exteriores empaquetados. Lasventajas, son el índice elevado de transferencia de calor, la falla de caída depresión interna, el tiempo breve de contacto, la facilidad de acceso a los tubospara su limpieza y, en algunos casos, la prevención de las fugas de un lado alotro.

  Intercambiadores de calor de teflón. Existen intercambiadores de calor decasco y tubo de teflón con tubos de resina de fluorocarbono de teflón,químicamente inerte. Los tubos mayores se utilizan primordialmente cuando laslimitaciones de caída de presión o las partículas reducen la eficiencia de los

tubos menores. En general, estos intercambiadores de calor funcionan con caídasmás altas de presión que las unidades tradiciones y son más apropiados parafluidos relativamente limpios. Puesto que son químicamente inertes, los tubostienen muchas aplicaciones en las que otros materiales se corroen. Losintercambiadores de calor son de paso simple, con diseño de flujo acontracorriente y haces de tubos desmontables. Los haces de tubos se componende tubos rectos y flexibles de teflón, unidos unos a otros en láminas tubularesintegrados en forma de panal. Los tubos individuales se separan mediantebandas de teflón a las que se sueldan. Los haces se sellan dentro de los cascosmediante anillos en O y se pueden desmostar con facilidad del casco.

  Intercambiadores de tuberías dobles. Se utilizaron por muchos años, sobretodo para índices de flujos bajos y gamas de temperaturas elevadas. Esas

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secciones de tuberías dobles están bien adaptadas para aplicaciones a altastemperaturas y presiones elevadas, debido a sus diámetros relativamentepequeños que permiten el empleo de bridas pequeñas y secciones delgadas deparedes, en comparación con los equipos ordinarios de casco y tubo.

GENERADORES DE VAPOR (CALDERAS) 

Los generadores de vapor conocidos comúnmente en la terminología industrial comocalderas es un recipiente cerrado en el cual se calienta agua, se genera vapor o sesobrecalienta (o cualquier combinación de las dos cosas) bajo presión o vacío mediantela aplicación de calor de combustibles, electricidad o energía nuclear. Las calderas sedividen generalmente en cuatro tipos clásicos: residencial, comercial, industrial y parageneración de energía eléctrica.

CLASIFICACION INDUSTRIAL. 

Se suelen clasificar como de tubos de humo (Pirotubular) o tubos de agua(Acuotubular).

* Calderas de Tubos de Humo (Pirotubular) 

En este tipo, el calor es transferido por la planta y los productos de combustión quepasan a través de tubos. El agua calentada rodea el hogar interno y los haces de tubos.

TIPOS DE CALDERAS PIROTUBULARES 

Estos se diferencia entre sí por el diseño del hogar.  El primer tipo se caracteriza por estar compuesta por un hogar de forma

cilíndrica, el calor es generado por combustibles derivado del petróleo, (figura

1).

  Calderas con cajas de humo permiten el quemado del combustible sólidos porque están dotadas de un espacio horizontal para los procesos de combustiónquemando una corriente vertical de la plancha o de los productos de combustión,(figura 2).

  Caldera tubular con retorno horizontal, en esta unidad los productos decombustión viajan a través del casco y retroceden a través de los tubos dentrodel recipiente a presión, (figura 3).

* Calderas de Tubos de Agua (Acuatubular) 

Agua circulando por los tubos como su nombre lo indica, los productos de combustiónrodean usualmente a los tubos y el agua está en el interior de ellos, los tubos se inclinanhacia un recipiente o domo en el punto más alto de la caldera. Algunos fabricantesoperan este tipo de unidad con tubos rectos o tubos doblados.

Es una caldera de tubos de agua con cabezal de cajón, los tubos de agua estánconectados a cabezales rectangulares dispuestos de modo que la mezcla de agua y vapor

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en circulación suban hacia un domo colector. Los cabezales de cajón están usualmenteen cualquier extremo de los haces de tubos, y los productos de combustión pasan entrecabezales y alrededor de los haces de tubos.

Algunas son de tipo de domo largo, esto es, cuando se mira al frente de la caldera, el

domo tiene la longitud de la caldera. Su consecuencia lógica es la caldera de domoatravesado. Cuando se contempla desde el frente de la unidad, los domos estáninstalados perpendicularmente a la larga línea central o a través de la caldera, (figura 4

“Caldera comercial”, figura 5 “tubos acostados” y figura 6 “domo largo”).

PRODUCCIÓN ESTIMADA DE VAPOR DE UNA CALDERA PIRITUBULARY ACUATUBULAR 

Las unidades de tubo de humo (Pirotubular) se suministran casi siempre de aplicacioneshasta de aproximadamente 30.000 Lb. = 2.100 Kg de vapor de agua por hora. Sesuministra para operar a baja presión 15 PSIG = 104 KPa y menos, y como caldera de

potencia hasta aproximadamente 300 PSIG = 2.100 KPa de presión de vapor. Lascalderas de tubos de agua (acuatubulares) para utilizarse en aplicaciones industriales seproporcionan capacidades hasta casi de un millón de libras 1.000.000 Lb. = 450.000 Kgde vapor por hora. Las presiones de diseño varían desde 100 PSIG = 700 KPa hasta1.200 o 1.400 PSIG = 8,3 ó 9,6 MPa con temperaturas de vapor que varían desde lasaturación hasta 1.000 ºF = 540 ºC.

Las calderas del mercado industrial se han planeado para quemar una amplia variedadde combustible y operar hasta presiones de 12,4 MPa y velocidades de vaporizaciónhasta de 455.000 Kg/h. Se han ensamblado calderas de alta capacidad para operar en elintervalo de 4.500 Kg/h hasta aproximadamente 250.000 Kg/h. Estas unidades sediseñan para trabajar a presiones hasta 11.1 MPa y temperaturas de 783 K (950 ºF).Aunque las calderas se diseñan para trabajar con combustibles gaseosos o líquidos, setienen diseños para quemar carbón pulverizado. El incremento significativo en el costode los combustibles y la creciente confianza en el carbón, han sido el motor que impulsahacia el empleo de calderas de alta capacidad erigidos en los campos que trabajan aaltas presiones y proporcionan sobrecalentamiento y posible recalentamiento.

GENERACION DE VAPOR. 

En cualquier sistema de generación de vapor es de vital importancia el “Agua” a utilizar 

y el tratamiento que se le debe dar, para así lograr la vida normal de la caldera y de losequipos que utilizan la energía creada por esta.

 Agua es el compuesto más abundante y más ampliamente extendido. En estado sólido,en forma de hielo o nieve, cubre las regiones más frías de la tierra, en estado liquido,lagos, ríos, y océanos, cubre las tres cuartas partes de la superficie terrestre. Estápresente en el aire en forma de vapor de agua. Hay agua en toda materia viva,constituyendo el 65% del cuerpo humano. Todos los alimentos contienen agua. Debidoa su gran abundancia y a que temperaturas convenientes, puedes ser convertida envapor, resulta un medio ideal para la generación de la fuerza.

CONSTITUYENTES DEL AGUA 

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El agua es el fluido de trabajo de los sistemas de vapor y una de las sustancias naturalesmás abundantes; sin embargo, nunca se encuentra en estado puro, adecuado para laalimentación directa de una caldera. Por lo común en estado natural, el agua seencuentra turbia, con materias sólidas en suspensión fina. Incluso cuando está clara, elagua natural contiene soluciones de sales y ácidos que dañan con rapidez el acero y los

metales a base de cobre de los sistemas de vapor.

El reciclaje del condensado de vapor procedente del calentamiento de procesos esconveniente para aprovechar el condensado relativamente puro. Debido a la disipaciónatmosféricas y a la contaminación por los equipos de procesamiento, se requiere casisiempre una cantidad adicional de materia prima.

Los diversos constituyentes de las aguas se pueden clasificar según las dificultades quecausa su presencia.

  Sustancias corrosivas.

  Sustancias Incrustantes.

  Sustancias productoras de espuma.

 LIMITES RECOMENDADOS PARA LOS CONSTITUYENTES DEL AGUA QUE

SE USAN EN CALDERAS 

Transistor

Transistor

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El tamaño de un transistor guarda relación con la potencia que es capaz de manejar.  

Tipo Semiconductor 

Fecha de invención John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford

Shockley (1947) 

Símbolo electrónico

Configuración Emisor, base y colector

El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones

deamplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la contracción

eninglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente se encuentran

prácticamente en todos los aparatos domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadoras,

reproductores de audio y video, hornos de microondas, lavadoras, automóviles, equipos de

refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, ordenadores, calculadoras, impresoras, lámparas

fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, teléfonos celulares,

etc.

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Contenido

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1 Historia 

2 Tipos de transistor 

o  2.1 Transistor de contacto puntual 

o  2.2 Transistor de unión bipolar 

o  2.3 Transistor de unión unipolar o de efecto de campo 

o  2.4 Fototransistor 

3 Transistores y electrónica de potencia 

4 El transistor bipolar como amplificador 

o  4.1 Emisor común 

o  4.2 Base común 

o  4.3 Colector común 

5 El transistor bipolar frente a la válvula termoiónica 

6 Véase también 

7 Enlaces externos 

[editar]Historia

Artículo principal:  Historia del transistor 

El transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EE. UU. en diciembre de 1947por John

Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, quienes fueron galardonados con

el Premio Nobel de Física en 1956. Fue el sustituto de la válvula termoiónica de tres electrodos,

o triodo. 

El transistor de efecto de campo fue descubierto antes que el transistor (1930), pero no se encontró

una aplicación útil ni se disponía de la tecnología necesaria para fabricarlos masivamente.

Es por ello que al principio se usaron transistores bipolares y luego los denominados transistores de

efecto de campo (FET). En los últimos, la corriente entre el surtidor o fuente (source) y el drenaje(drain) se controla mediante el campo eléctrico establecido en el canal. Por último, apareció el

MOSFET (transistor FET de tipo Metal-Óxido-Semiconductor). Los MOSFET permitieron un diseño

extremadamente compacto, necesario para los circuitos altamente integrados (CI).

Hoy la mayoría de los circuitos se construyen con tecnología CMOS. La tecnología CMOS

(Complementary MOS ó MOS Complementario) es un diseño con dos diferentes MOSFET

(MOSFET de canal n y p), que se complementan mutuamente y consumen muy poca corriente en

un funcionamiento sin carga. 

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El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas artificialmente

(contaminadas con materiales específicos en cantidades específicas) que forman dos uniones

bipolares, el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la tercera, que

está intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores (base). A diferencia de

las válvulas, el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente

amplificada. En el diseño de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo, a

diferencia de los resistores, condensadores e inductores que son elementos pasivos. Su

funcionamiento sólo puede explicarse mediante mecánica cuántica. 

De manera simplificada, la corriente que circula por el "colector" es función amplificada de la que se

inyecta en el "emisor", pero el transistor sólo gradúa la corriente que circula a través de sí mismo, si

desde una fuente de corriente continua se alimenta la "base" para que circule la carga por el

"colector", según el tipo de circuito que se utilice. El factor de amplificación o ganancia logrado entre

corriente de colector y corriente de base, se denomina Beta del transistor. Otros parámetros a tener

en cuenta y que son particulares de cada tipo de transistor son: Tensiones de ruptura de Colector

Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia Máxima, disipación de calor, frecuencia de

trabajo, y varias tablas donde se grafican los distintos parámetros tales como corriente de base,

tensión Colector Emisor, tensión Base Emisor, corriente de Emisor, etc. Los tres tipos de

esquemas(configuraciones) básicos para utilización analógica de los transistores son emisor común,

colector común y base común.

Modelos posteriores al transistor descrito, el transistor bipolar (transistores FET, MOSFET, JFET,

CMOS, VMOS, etc.) no utilizan la corriente que se inyecta en el terminal de "base" para modular la

corriente de emisor o colector, sino la tensión presente en el terminal de puerta o reja de control

(graduador) y gradúa la conductancia del canal entre los terminales de Fuente y Drenaje. Cuando la

conductancia es nula y el canal se encuentra estrangulado, por efecto de la tensión aplicada entre

Compuerta y Fuente, es el campo eléctrico presente en el canal el responsable de impulsar los

electrones desde la fuente al drenaje. De este modo, la corriente de salida en la carga conectada al

Drenaje (D) será función amplificada de la Tensión presente entre la Compuerta (Gate) y Fuente

(Source). Su funcionamiento es análogo al del triodo, con la salvedad que en el triodo los

equivalentes a Compuerta, Drenador y Fuente son Reja (o Grilla Control), Placa y Cátodo.

Los transistores de efecto de campo son los que han permitido la integración a gran escala

disponible hoy en día; para tener una idea aproximada pueden fabricarse varios cientos de miles de

transistores interconectados, por centímetro cuadrado y en varias capas superpuestas.

[editar]Tipos de transistor

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Distintos encapsulados de transistores.

[editar]Transistor de contacto puntual

Llamado también transistor de punta de contacto , fue el primer transistor capaz de obtener

ganancia, inventado en 1947 por J. Bardeen y W. Brattain. Consta de una base de  germanio, 

semiconductor para entonces mejor conocido que la combinación cobre-óxido de cobre, sobre la

que se apoyan, muy juntas, dos puntas metálicas que constituyen el emisor y el colector. La

corriente de base es capaz de modular la resistencia que se "ve" en el colector, de ahí el nombre de

"transfer resistor". Se basa en efectos de superficie, poco conocidos en su día. Es difícil de fabricar

(las puntas se ajustaban a mano), frágil (un golpe podía desplazar las puntas) y ruidoso. Sin

embargo convivió con el transistor de unión (W. Shockley, 1948) debido a su mayor ancho de

banda. En la actualidad ha desaparecido.

[editar]Transistor de unión bipolar

El transistor de unión bipolar, o BJT por sus siglas en inglés, se fabrica básicamente sobre unmonocristal de Germanio, Silicio o Arseniuro de galio, que tienen cualidades de semiconductores,

estado intermedio entre conductores como los metales y los aislantes como eldiamante. Sobre el

sustrato de cristal, se contaminan en forma muy controlada tres zonas, dos de las cuales son del

mismo tipo, NPN o PNP, quedando formadas dos uniones NP.

La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la zona P de aceptadores o

"huecos" (cargas positivas). Normalmente se utilizan como elementos aceptadores P

al Indio (In), Aluminio (Al) o Galio (Ga) y donantes N al Arsénico (As) o Fósforo (P).

La configuración de uniones PN, dan como resultado transistores PNP o NPN, donde la letra

intermedia siempre corresponde a la característica de la base, y las otras dos al emisor y al colector

que, si bien son del mismo tipo y de signo contrario a la base, tienen diferente contaminación entre

ellas (por lo general, el emisor está mucho más contaminado que el colector).

El mecanismo que representa el comportamiento semiconductor dependerá de dichas

contaminaciones, de la geometría asociada y del tipo de tecnología de contaminación (difusión

gaseosa, epitaxial, etc.) y del comportamiento cuántico de la unión.

[editar]Transistor de unión unipolar o de efecto de campo

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El transistor de unión unipolar, también llamado de efecto de campo de unión (JFET), fue el primer

transistor de efecto de campo en la práctica. Lo forma una barra de material semiconductor de silicio

de tipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un

transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difunden dos regiones P en una

barra de material N y se conectan externamente entre sí, se producirá una puerta. A uno de estos

contactos le llamaremos surtidor y al otro drenador. Aplicando tensión positiva entre el drenador y el

surtidor y conectando a puerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la que llamaremos

corriente de drenador con polarización cero. Con un potencial negativo de puerta al que llamamos

tensión de estrangulamiento, cesa la conducción en el canal.

El transistor de efecto de campo, o FET por sus siglas en inglés, que controla la corriente en función

de una tensión; tienen alta impedanciade entrada.

  Transistor de efecto de campo de unión, JFET, construido mediante una unión PN.

  Transistor de efecto de campo de compuerta aislada, IGFET, en el que la compuerta se aísla

del canal mediante un dieléctrico. 

  Transistor de efecto de campo MOS, MOSFET, donde MOS significa Metal-Óxido-

Semiconductor, en este caso la compuerta es metálica y está separada del canal semiconductor

por una capa de óxido. 

[editar]Fototransistor

Los fototransistores son sensibles a la radiación electromagnética en frecuencias cercanas a la de

la luz visible; debido a esto su flujo de corriente puede ser regulado por medio de la luz incidente. Un

fototransistor es, en esencia, lo mismo que un transistor normal, sólo que puede trabajar de 2

maneras diferentes:

  Como un transistor normal con la corriente de base (IB) (modo común).

  Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de

base. (IP) (modo de iluminación).

[editar]Transistores y electrónica de potenciaCon el desarrollo tecnológico y evolución de la electrónica, la capacidad de los dispositivos

semiconductores para soportar cada vez mayores niveles de tensión y corriente ha permitido su uso

en aplicaciones de potencia. Es así como actualmente los transistores son empleados

en conversores estáticos de potencia, controles para motores y llaves de alta potencia

(principalmente inversores), aunque su principal uso está basado en la amplificación de corriente

dentro de un circuito cerrado.

[editar]El transistor bipolar como amplificador

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El comportamiento del transistor se puede ver como dos diodos (Modelo de Ebers-Moll), uno entre

base y emisor, polarizado en directo y otro diodo entre base y colector, polarizado en inverso. Esto

quiere decir que entre base y emisor tendremos una tensión igual a la tensión directa de un diodo,

es decir 0,6 a 0,8 V para un transistor de silicio y unos 0,4 para el germanio.

Lo interesante del dispositivo es que en el colector tendremos una corriente proporcional a la

corriente de base: IC = β IB, es decir, ganancia de corriente cuando β>1. Para transistores normales

de señal, β varía entre 100 y 300. 

Entonces, existen tres configuraciones para el amplificador:

[editar]Emisor común

Emisor común.

La señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el colector. El emisor se conecta a las

masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganancia

tanto de tensión como de corriente y alta impedancia de entrada. En caso de tener resistencia de

emisor, RE > 50 Ω, y para frecuencias bajas, la ganancia en tensión se aproxima bastante bien por la

siguiente expresión: ; y la impedancia de salida, por RC 

Como la base está conectada al emisor por un diodo en directo, entre ellos podemos suponer una

tensión constante, Vg. También supondremos que β es constante. Entonces tenemos que la tensión

de emisor es: V  E = V  B − V g 

Y la corriente de emisor: .

La corriente de emisor es igual a la de colector más la de

base: . Despejando

La tensión de salida, que es la de colector se calcula

como:

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Como β >> 1, se puede aproximar: y,

entonces,

Que podemos escribir como

Vemos que la parte es constante (no depende de la señal de entrada), y la

parte nos da la señal de salida. El signo negativo indica que la señal de salida está

desfasada 180º respecto a la de entrada.

Finalmente, la ganancia queda:

La corriente de entrada, , que aproximamos

por .

Suponiendo que VB>>Vg, podemos escribir:

y la impedancia de entrada:

Para tener en cuenta la influencia de frecuencia se deben utilizar modelos de transistor más

elaborados. Es muy frecuente usar el modelo en pi.

[editar]Base común

Base común.

La señal se aplica al emisor del transistor y se extrae por el colector. la base se conecta a las masas

tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganancia sólo detensión. La impedancia de entrada es baja y la ganancia de corriente algo menor que uno, debido a

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que parte de la corriente de emisor sale por la base. Si añadimos una resistencia de emisor, que

puede ser la propia impedancia de salida de la fuente de señal, un análisis similar al realizado en el

caso de emisor común, nos da la ganancia aproximada siguiente: .

La base común se suele utilizar para adaptar fuentes de señal de baja impedancia de salida como,

por ejemplo, micrófonos dinámicos.

[editar]Colector común

Colector común.

La señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el emisor. El colector se conecta a las

masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganancia decorriente, pero no de tensión que es ligeramente inferior a la unidad. La impedancia de entrada es

alta, aproximadamente β+1 veces la impedancia de carga. Además, la impedancia de salida es baja,

aproximadamente β veces menor que la de la fuente de señal. 

[editar]El transistor bipolar frente a la válvula termoiónica

Véanse también:  Válvula termoiónica  y  Transistor bipolar  

Antes de la aparición del transistor los ingenieros utilizaban elementos activos llamados válvulas

termoiónicas. Las válvulas tienen características eléctricas similares a la de los  transistores deefecto campo (FET): la corriente que los atraviesa depende de la tensión en el borne de comando,

llamado rejilla. Las razones por las que el transistor reemplazó a la válvula termoiónica son varias:

  Las válvulas necesitan tensiones muy altas, del orden de las centenas de voltios, que son

letales para el ser humano.

  Las válvulas consumen mucha energía, lo que las vuelve particularmente poco útiles para el uso

con baterías.

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  Probablemente, uno de los problemas más importantes haya sido el peso. El chasis necesario

para alojar las válvulas y los transformadores requeridos para su funcionamiento sumaban un

peso importante, que iba desde algunos kilos a decenas de kilos.

  El tiempo medio entre fallas de las válvulas termoiónicas es muy corto comparado con el de los

transistores, sobre todo a causa del calor generado.

  Las válvulas presentan una cierta demora en comenzar a funcionar, ya que necesitan estar

calientes para establecer la conducción.

  El transistor es intrínsecamente insensible al efecto microfónico, muy frecuente en las válvulas.

  Los transistores son más pequeños que las válvulas, incluso que los  nuvistores. Aunque existe

unanimidad sobre este punto, conviene hacer una salvedad: en el caso de dispositivos de

potencia, estos deben llevar un disipador, de modo que el tamaño que se ha de considerar es el

del dispositivo (válvula o transistor) más el del disipador. Como las válvulas pueden funcionar a

temperaturas más elevadas, la eficiencia del disipador es mayor en ellas que en los transistores,

con lo que basta un disipador mucho más pequeño.

  Los transistores trabajan con impedancias bajas, o sea con tensiones reducidas y corrientes

altas; mientras que las válvulas presentan impedancias elevadas y por lo tanto trabajan con

altas tensiones pequeñas corrientes.

  Finalmente, el costo de los transistores no solamente era muy inferior, sino que contaba con la

promesa de que continuaría bajando (como de hecho ocurrió) con suficiente investigación y

desarrollo.

Como ejemplo de todos estos inconvenientes se puede citar a la primera computadora digital,

llamada ENIAC. Era un equipo que pesaba más de treinta toneladas y consumía 200 kilovatios,

suficientes para alimentar una pequeña ciudad. Tenía alrededor de 18.000 válvulas, de las cuales

algunas se quemaban cada día, necesitando una logística y una organización importantes.

Cuando el transistor bipolar fue inventado en 1947, fue considerado una revolución. Pequeño,

rápido, fiable, poco costoso, sobrio en sus necesidades de energía, reemplazó progresivamente a la

válvula termoiónica durante la década de 1950, pero no del todo. En efecto, durante los años 1960, 

algunos fabricantes siguieron utilizando válvulas termoiónicas en equipos de radio de gama alta,como Collins y Drake; luego el transistor desplazó a la válvula de los transmisores pero no del todo

de los amplificadores de radiofrecuencia. Otros fabricantes, de equipo de audio esta vez, como

Fender, siguieron utilizando válvulas en amplificadores de audio para guitarras. Las razones de la

supervivencia de las válvulas termoiónicas son varias:

  El transistor no tiene las características de linealidad a alta potencia de la válvula termoiónica,

por lo que no pudo reemplazarla en los amplificadores de transmisión de radio profesionales y

de radioaficionados sino hasta varios años después.[cita requerida ] 

  Los armónicos introducidos por la no-linealidad de las válvulas resultan agradables al oído

humano (véase psicoacústica), por lo que son preferidos por los audiófilos.

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  El transistor es muy sensible a los efectos electromagnéticos de las explosiones nucleares, por

lo que se siguieron utilizando válvulas termoiónicas en algunos sistemas de control-comando de

aviones caza de fabricación soviética.[cita requerida ] 

  Las válvulas son capaces de manejar potencias muy grandes, impensables para los transistores

en sus comienzos; sin embargo a través de los años se desarrollaron etapas de potencia con

múltiples transistores en paralelo capaces de conseguirlo.

Turbina Pelton

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Turbina Pelton de la central hidroeléctricade Walchensee en Alemania. 

Una turbina Pelton es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica. Es

unaturbomáquina motora, de flujo transversal, admisión parcial y de acción. Consiste en una rueda

(rodete o rotor) dotada de cucharas en su periferia, las cuales están especialmente realizadas para

convertir la energía de un chorro de agua que incide sobre las cucharas.

Las turbinas Pelton están diseñadas para explotar grandes saltos hidráulicos de bajo caudal.

Las centrales hidroeléctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, la mayoría de las veces, con

una larga tubería llamada galería de presión para trasportar al fluido desde grandes alturas, a veces

de hasta más de doscientos metros. Al final de la galería de presión se suministra el agua a la

turbina por medio de una o varias válvulas de aguja, también llamadas inyectores, los cuales tienen

forma de tobera para aumentar la velocidad del flujo que incide sobre las cucharas.

Contenido

[ocultar] 

1 Funcionamiento 

2 Historia 

3 Aplicaciones 

4 Véase también 

[editar]Funcionamiento

Proyección cilíndrica en el diámetro Pelton de una cuchara.

La tobera o inyector lanza directamente el chorro de agua contra la serie de paletas en forma de

cuchara montadas alrededor del borde de una rueda, el doble de la distancia entre el eje de la rueda

y el centro del chorro de agua se denomina diámetro Pelton . El agua acciona sobre las cucharasintercambiando energía con la rueda en virtud de su cambio de  cantidad de movimiento, que es casi

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de 180°. Obsérvese en la figura anexa un corte de una pala en el diámetro Pelton; el chorro de agua

impacta sobre la pala en el medio, es dividido en dos, los cuales salen de la pala en sentido casi

opuesto al que entraron, pero jamás puede salir el chorro de agua en dirección de 180° ya que si

fuese así el chorro golpearía a la pala sucesiva y habría un efecto frenante. La sección de entrada

del fluido a la cuchara se denomina 1, así como 2 a la sección de salida.

El estudio analítico de la interacción agua-pala puede ser sumamente complicado debido al

desplazamiento relativo entre la pala y el chorro de agua. Por otro lado se simplifica el estudio de las

turbinas Pelton a la sección cilíndrica del diámetro Faubert.

Así la energía convertida por unidad de masa de agua está dada por la ley de  Euler de las

turbomáquinas:

L = u1cu1 − u2cu2 

Donde:

  L es la energía específica convertida.

  u1 y u2 es la velocidad tangencial de la cuchara en los puntos donde el agua llega y sale de

la misma respectivamente.

  cu1 y cu2 son, respectivamente, las proyecciones de la velocidad absoluta del fluido sobre la

velocidad tangencial de la cuchara en los puntos de llegada y salida de la misma.

Como la velocidad tangencial de rotación de la rueda Pelton es la misma en todos los puntos

del diámetro pelton (recuérdese la fórmula de la velocidad angular u = ωr ) las

velocidades u1 y u2 son iguales. Entonces la fórmula de Euler se puede simplificar:

L = u(cu1 − cu2) 

La turbina Pelton es un tipo de turbina de impulso, y es la más eficiente en aplicaciones

donde se cuenta con un gran desnivel de agua.

Dado que el agua no es un fluido compresible, casi toda la energía disponible se extrae

en la primera etapa de la turbina. Por lo tanto, la turbina Pelton tiene una sola rueda, al

contrario que las turbinas que operan con fluidos compresibles.

[editar]Historia

Lester Allan Pelton o llamado por sus amigos el carpintero de VGR ya que inventó una

de las turbinas más importantes del mundo, carpintero y montador de ejes y poleas,

inventó la turbina Pelton en 1879, mientras trabajaba en California. Obtuvo su primera

patente en 1880. 

Una historia muy poco creíble dice que Pelton inventó su rueda cuando se fijó en cómo el

agua salpicaba fuera de las fosas nasales de una vaca mientras esta bebía de un chorro

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de agua y directamente empezó a imaginarse la turbina en su cabeza y lo que eso

suponía, es decir, ese invento podía cambiar el mundo de la enegía.

[editar]Aplicaciones

Instalación común de una turbina Pelton con dos inyectores.

Existen turbinas Pelton de todos los tamaños. Hay turbinas de varias toneladas

montadas en vertical sobre cojinetes hidráulicos en las centrales hidroeléctricas. Las

turbinas Pelton más pequeñas, solo de unos pocos centímetros, se usan en

equipamientos domésticos.

En general, a medida que la altura de la caída de agua aumenta, se necesita menor

caudal de agua para generar la misma potencia. La energía es la fuerza por la distancia,

y, por lo tanto, una presión más alta puede generar la misma fuerza con menor caudal.

Cada instalación tiene, por lo tanto, su propia combinación

de presión,velocidad y volumen de funcionamiento más eficiente. Usualmente, las

pequeñas instalaciones usan paletas estandarizadas y adaptan la turbina a una de las

familias de generadores y ruedas, adecuando para ello las  canalizaciones. Las pequeñas

turbinas se pueden ajustar algo variando el número de toberas y paletas por rueda, y

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escogiendo diferentes diámetros por rueda. Las grandes instalaciones de encargo

diseñan el par torsor y volumen de la turbina para hacer girar un generador estándar.

TURBINAS FRANCIS (I)

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 GENERALIDADES: 

Una turbina es una máquina motriz que consiste de una parte giratoria llamada rodete, que se impulsa por un fluido en

movimiento. Dependiendo de la naturaleza de este fluido, las turbinas se pueden dividir en: hidráulicas, a vapor y a gas. La función

de una planta hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada en un lago, a una elevación más alta y

convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica. Este proceso toma en consideración varios factores entre los cuales

uno de los más importantes es la caída de agua (head). Este factor es decisivo al momento de escoger el tipo de turbina hidráulica

que se instala en la planta.

Una caída alta (entre 800 a 2000 pies) requiere una turbina para alta presión, de impulso o tipo Pelton. Si la caída es intermedia

(entre 200 y 800 pies), entonces se escoge una turbina de reacción tipo Francis. Para caídas bajas (menores de 200 pies) se utiliza

un tipo de turbina de reacción tipo Kaplan.

 La turbina Francis es un motor hidráulico de reacción, que se emplea para caudales y alturas medias

 Las Turbinas Francis son conocidas como turbinas de sobrepresión por ser variable la presión en las zonas del rodete, o de

admisión total ya que éste se encuentra sometido a la influencia directa del agua en toda su periferia. También se conocen como

turbinas radiales-axiales y turbinas de reacción, conceptos que se ampliarán en su momento. 

 El campo de aplicación es muy extenso, dado el avance tecnológico conseguido en la construcción de este tipo de turbinas. Pueden

emplearse en saltos de distintas alturas dentro de una amplia gama de caudales (entre 2 y 200 m3/s aproximadamente). 

Consideraremos la siguiente clasificación, en función de la velocidad específica del rodete, cuyo número de revoluciones por 

minuto depende de las características del salto. 

- Turbina Francis lenta. Para saltos de gran altura (alrededor de 200 m o más).  

- Turbina Francis normal. Indicada en saltos de altura media (entre 200 y 20 m) 

- Turbinas Francis rápidas y extrarrápidas. Apropiadas a saltos de pequeña altura (inferiores a 20 m). 

Turbina Francis 

 La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbo máquina motora a reacción y de flujo mixto.

 Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden diseñar para un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de

operar en rangos de desnivel que van de los diez metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho

que este tipo de turbina sea el más ampliamente usado en el mundo, principalmente para la producción de energía eléctrica

mediante centrales hidroeléctricas. 

1- Partes de la Turbina: 

·  Caja espiral 

Tiene como función distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete de una turbina

· Predistribuidor 

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Tienen una función netamente estructural, para mantener la estructura de la caja espiral, tienen una forma

hidrodinámica para minimizar las pérdidas hidráulicas.

·  Distribuidor 

Es el nombre con que se conocen los álabes directores de la turbomáquina, su función es regular el caudal

que entra en la turbina, a la vez de direccionar al fluido para mejorar el rendimiento de la máquina. Este

recibe el nombre de distribuidor Fink. 

·  Rotor 

Es el corazón de la turbina, ya que aquí tiene lugar el intercambio de energía entre la máquina y el fluido,

pueden tener diversas formas dependiendo del número de giros específico para el cual está diseñada la

máquina.

·  Tubo de aspiración 

Es la salida de la turbina. Su función es darle continuidad al flujo y recuperar el salto perdido en las

instalaciones que están por encima del nivel de agua a la salida. En general se construye en forma de difusor,

para generar un efecto de aspiración, el cual recupera parte de la energía que no fuera entregada al rotor en

su ausencia.

2- Aplicaciones 

Las grandes turbinas Francis se diseñan de forma individual para cada emplazamiento, a efectos de lograr la

máxima eficiencia posible, habitualmente más del 90%. Son muy costosas de diseñar, fabricar e instalar,

pero pueden funcionar durante décadas.

Además de para la producción de electricidad, pueden usarse para el bombeo y almacenamiento

hidroeléctrico, donde un embalse superior se llena mediante la turbina (en este caso funcionando como

bomba) durante los períodos de baja demanda eléctrica, y luego se usa como turbina para generar energíadurante los períodos de alta demanda eléctrica.

Se fabrican micro turbinas Francis baratas para la producción individual de energía para saltos mínimos de

52 metros.

3- Ventajas y desventajas 

3.1 – Ventajas 

Su diseño hidrodinámico permite bajas perdidas hidráulicas, por lo cual se garantiza un alto rendimiento.

Su diseño es robusto, de tal modo se obtienen décadas de uso bajo un costo de mantenimiento menor con

respecto a otras turbinas.

 Junto a sus pequeñas dimensiones, con lo cual la turbina puede ser instalada en espacios con limitaciones

física también permiten altas velocidades de giro.

 Junto a la tecnología y a nuevos materiales, las nuevas turbinas requieren cada vez menos mantenimiento.

3.2 – Desventajas 

No es recomendado para altura mayores de 800 m, por las presiones existentes en los sellos de la turbina.

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Hay que controlar el comportamiento de la cavitación.

No es la mejor opción para utilizar frente a grandes variaciones de caudal, por lo que se debe tratar de

mantener un flujo de caudal constante previsto, antes de la instalación

4 -Funcionamiento: 

La energía potencial gravitatoria del agua embalsada, se convierte en energía cinética en su recorrido hacia

el distribuidor, donde, a la salida de éste, se dispone de energía en forma cinética y de presión, siendo, la

velocidad de entrada del agua en el rodete, inferior a la que correspondería por altura de salto, debido a los

cambios bruscos de dirección en su recorrido.

Centrándonos en la zona del distribuidor, podemos añadir que el agua, a su paso por las palas fijas de la

cámara espiral y las palas directrices del distribuidor, disminuye su presión, adquiriendo velocidad y, en

tales condiciones, provoca el giro del rodete, al discurrir a través de los álabes de éste, sobre los cuales

actúa el resto de la presión existente en las masas de agua dotadas, a su vez, de energía cinética. El tubo de

aspiración produce una depresión en la salida del rodete o, dicho en otros términos, una succión.

Las turbinas Francis, son de rendimiento óptimo, pero solamente entre unos determinados márgenes (para

60 % y 100 % del caudal máximo), siendo una de las razones por la que se disponen varias unidades en cada

central, al objeto de que ninguna trabaje, individualmente, por debajo de valores del 60 % de la carga total.

Al igual que las turbinas Pelton, las turbinas Francis pueden ser instaladas con el eje en posición horizontal

o vertical siendo esta última disposición la más generalizada por estar ampliamente experimentada,

especialmente en el caso de unidades de gran potencia.

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