Introducción y Conceptos.

Transcripción

1 Introducción y Conceptos.

2 Introducción y Conceptos. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

3 Introducción y Conceptos. Los equipos de transferencia de calor tales como intercambiadores de calor, las calderas, los condensadores, los radiadores, los calentadores, los hornos, los refrigeradores, colectores solares, etc. están diseñados tomando en cuenta el análisis de la transferencia de calor.

4 Introducción y Conceptos. Generalmente los problemas que se plantean en la practica se pueden dividir en dos grupos: de capacidad nominal de dimensionamiento. Los problemas de capacidad nominal tratan de la determinación de la cantidad de transferencia de calor para un sistema existente a una diferencia especifica de temperatura. Los problemas de dimensionamiento tratan de la determinación del tamaño de un sistema con el fin de transferir calor a una velocidad determinada para una diferencia especifica de temperatura.

5 Introducción y Conceptos. Manteniendo la practica usual, llamaremos a la energía térmica calor y a la trasferencia de energía térmica transferencia de calor. La cantidad de calor transferido durante el proceso se denota por Q. La cantidad de calor transferido por unidad de tiempo se llama velocidad de trasferencia de calor y se denota por q

6 Introducción y Conceptos. La velocidad de transferencia de calor por unidad de área perpendicular a la dirección de esa transferencia se llama flujo de calor (flux) y se expresa como: q q' W [ A 2 m en donde A es el área de transferencia de calor. Area ] Velocidad de Flujo

7 Introducción y Conceptos. En condiciones de estado estacionario y en ausencia de cualesquiera interacciones de trabajo, y sin cambio de fase, el calor necesario para cambiar de temperatura un cuerpo es: q' mc Cuando hay cambio de fase: p T q' m (m=flujo másico Kg/h)

8 Introducción y Conceptos. El calor se puede transferir en tres modos diferentes: Conducción, convección y radiación. Los procesos físicos por los que se produce la transferencia de calor son la conducción y la radiación. Un tercer proceso, que también implica el movimiento de materia, se denomina convección. La conducción requiere contacto físico entre los cuerpos (o las partes de un cuerpo) que intercambian calor, pero en la radiación no hace falta que los cuerpos estén en contacto ni que haya materia entre ellos. La convección se produce a través del movimiento de un liquido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura diferente.

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10 Conducción. El proceso de transferencia de energía térmica mas sencillo de describir de manera cuantitativa recibe el nombre de conducción. En este proceso, la transferencia de energía térmica se puede ver a una escala atómica como un intercambio de energía cinética entre moléculas, donde las partículas menos energéticas ganan energía al chocar con las partículas mas energéticas.

11 Conducción. La transferencia de calor por conducción es explicada satisfactoriamente por la Ley de Fourier: El flujo de calor es proporcional a la gradiente de temperatura. q k T q k T x

12 Conducción. q k T donde: k: conductividad térmica del material a través del medio por donde se transfiere el calor. (W/m⁰C) gradiente de temperatura en la dirección de flujo de calor T x

13 Conducción.

14 Convección. Es el proceso de transferir energía térmica por el movimiento de un fluido. Cuando el movimiento se produce por diferencia en la densidad, como en el ejemplo del aire alrededor del fuego, esta se conoce como convección natural o libre. Cuando la sustancia calentada es obligada a moverse mediante un ventilador o bomba, como en algunos sistemas de calefacción de aire caliente y agua caliente, el proceso se denomina convección forzada.

15 Convección.

16 Convección. La velocidad de transferencia de calor por convección se calcula a través de la siguiente expresión: q h( T T s ) donde: h : coeficiente convectivo de transferencia de calor.(w/m 2 ⁰C) T s : temperatura de la superficie. T α : temperatura del fluido.

17 Convección.

18 Radiación. La tercera forma de transferencia de energía térmica es denominada radiación. Todos los objetos radian energía continuamente en forma de ondas electromagnéticas. El tipo de radiación asociado a la transferencia de energía térmica de un lugar a otro se conoce como radiación infrarroja (en mayor medida).

19 Radiación.

20 Radiación. La velocidad a la cual un objeto emite energía radiante es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. Esto se conoce como la Ley de Stefan-Boltzmann y se expresa en forma de ecuación como: q T 4 donde: σ : constante de Stefan-Boltzmann igual a 5,67 x 10-8 (W/m 2 0 K 4 )

21 Radiación. Para superficies reales : q 4 ( T T ) T1: temperatura de la superficie 1. T2: temperatura de los alrededores. ε: emisividad del cuerpo.(adimensional) La emisividad depende de la naturaleza de la superficie del objeto, pudiendo variar de 0 a 1.

22 Ecuación de conservación Velocidad de Energía Térmica a la Entrada Velocidad de Acumulación de Energía Térmica Velocidad de Generación de Energía Termica Volumen de control Superficie de control (Frontera) Velocidad de Energía Térmica a la Salida E in E out E g E Acum

23 Ecuación de Conservación METODOLOGIA: Definir el volumen de control apropiado Definir los procesos energéticos relevantes Aplicar la ecuación de conservación y las expresiones de flujo adecuadas. Volumen finito Balance Macroscópico Volumen diferencial Balance de punto

24 Niveles de balance ΔV ΔV 0 Balance total (Macroscópico) Balance incremental (Microscópico) Balance Diferencial (Punto)

25 Balance de energía en una superficie Cuando no se toma en cuenta Generación ni Acumulación de energía T1 q conducc q convecc 0 T2 Tα q cond q conv E in E out 0

26 Ejemplos Una esfera de cobre de 10 cm de diámetro se va a calentar de 100ºC, hasta una temperatura promedio de 150ºC. Determine, la cantidad de calor total necesario para calentar la esfera de cobre. Para la densidad y el calor especifico promedios del cobre para este rango de temperatura son, 8950 kg/m3 y 0,395 kj/kgºc, respectivamente.

27 Ejemplos Las temperaturas de las superficies interna y externa de una ventana de vidrio de 6 mm de espesor son de 15⁰ y 4⁰ respectivamente. Cuál es la pérdida de calor a través de una ventana que mide 1x3 m de lado?. La conductividad térmica del vidrio es 1.4 w/m ⁰ K

28 Ejemplos Un tubo que transporta vapor a una presión absoluta de 10 atm, se encuentra en una habitación cuya temperatura ambiente es de 20ºC. Si el coeficiente de transferencia convectiva es h=10w/m 2 ºK, calcular las pérdidas de calor por metro de longitud. El diámetro externo del tubo es de 10 cm.

29 Ejemplos Una superficie cuya temperatura se mantiene a 400ºC está separada de un flujo de aire por una capa aislante de 25 mm de espesor, con una k=0.1w/mºk. Si la temperatura del aire es de 35ºC y el coeficiente convectivo entre el aire y la superficie exterior del aislante es 500 W/m 2 ºK, cuál es la temperatura de la superficie exterior?.

30 Ejemplos Los gases calientes de combustión de un horno, se separan del aire ambiental y sus alrededores que están a 25ºC, mediante una pared de ladrillos de 0.15 cm de espesor. El ladrillo tiene una conductividad térmica de 1.2 w/mºk y una emisividad superficial de 0.8. Si la temperatura de la superficie externa del horno es de 100ºC y el coeficiente convectivo h=20 w/m 2 ºK, cuál es la temperatura de la superficie interior del ladrillo?