Transferencia de Calor I

Transcripción

1 ransferencia Calor I Introducción En primer lugar tenemos ue cir ue la transferencia calor es el área la ingeniería ue estudia los diferentes mecanismos transferencia calor. Definición termodinámica calor: Es la forma energía en tránsito, ue se manifiesta bido a una diferencia temperaturas. Nomenclatura. En este curso emplearemos la letra minúscula para signar el flujo calor. : Flujo calor [W y doble prima, para signar el flujo calor por uni dad área, ": Flujo calor por unidad área [W/m Mecanismos transferencia calor. Existen tres mecanismos básicos transferencia calor, ellos son: Conducción Convección Radiación Conducción: Se fine a la transferencia calor ue ocurrirá a través l medio en el cual existe un gradiente temperaturas. Pue tomar lugar en sólidos, líuidos y / o gases. Convección: Se refiere a la transferencia calor ue ocurrirá entre una superficie y un fluido en movimiento como res ultado la diferencia temperatura entre la superficie y el fluido. Radiación: Las superficies emiten energía en forma ondas electromagnéticas. A pesar ue no exista un medio (vacio) se establecerá un intercambio calor por radiación entre dos superficies a diferentes temperaturas. Esta característica ue tiene la 1

2 radiación térmica no necesitar medio es precisamente la ue la distingue los dos mecanismos anteriores. 1 1 M edio F luido 1 A cero en reposo ó solido C onducción Figura 1.1 Ejemplo conducción En la Figura 1.1 se ilustra la situación en don el mecanismo conducción esta presente, esta correspon al caso una pared plana ue esta expuesta a dos temperaturas, como consecuencia esta diferencia temperaturas se establecerá un flujo calor a través la pared. Es importante señalar ue si se consira el flujo calor unidimensional y la conductividad térmica constante, la distribución temperaturas en la pared será lineal. Leyes y ecuaciones ue gobiernan los Mecanismos ransferencia Calor. Ley Fourier. Conducción Ecuación enfriamiento Newton. Convección Ley Stefan-Boltzmann. Radiación Ley Fourier. Es la ley física ue scribe matemáticamente el mecanismo transferencia calor por conducción.

3 A x x Figura 1. Ley Fourier Con referencia a la figura 1., la ley Fourier establece: x ka d dx don: : Flujo x calor por conducción A : área transvers al [m d dx : gradiente temperatu ras K m k : conductivi dad, [W/mK En la ley Fourier, la conductividad érmica, k, es una propiedad l medio. En general, la conductividad térmica, k, es una propiedad ue pen la temperatura. A continuación se presenta una abla 1.1 representativa la conductividad térmica diferentes materiales. abla 1.1 Conductividad érmica diferentes materiales a 300 K Material W / mk Plata 47 Cobre 400 Aluminio 36 Hierro 80 Mara 0,15 3

4 Agua 0,60 Aire 0,05 En el signo menos ue aparece en la ley Fourier, es una consecuencia satisfacer la segunda Ley la ermodinámica ue para este caso impone ue el flujo calor be darse siempre, s la región mayor temperatura hacia la región menor temperatura. En la figura 1.3 se ilustra ue si el gradiente temperaturas es negativo el flujo calor, según el sistema coornadas señalado be ser positivo, y en caso ser el gradiente temperaturas positivo, el flujo calor be ser negativo. d dx 0 0 x d dx 0 0 Figura 1.3 Justificación l signo menos en la Ley Fourier 4

5 Ecuación enfriamiento Newton. U F lu id o U ( y ) ( y ) y s s y conv Figura 1.4 Ecuación enfriamiento Newton. Las condiciones corriente libre se su cen en don los valores U y se hacen inpendientes y. Es importante señalar la naturaleza empírica ue tiene la ecuación Newton, la cual haciendo referencia a la Figura 1.4, s e establece lo siguiente: conv h A ( s ) don: conv : Flujo calor por convección [ W h : coeficient e transfere ncia calor por convección [ W / m K A : área contacto entre el fluido y la pared [ m 5

6 En la ecuación Newton, h no es una propiedad termofisica ya ue pen una gran variedad factores tanto geométricos como fluidodinámicos. 6

7 Ley Stefan- Boltzmann C u erp o n egro " Figura 1.5 Ley Stefan- Boltzmann La ley Stefan- Boltzmann, establece ue si un cuerpo se encuentra a una terminada temperatura, este emite calor ue viene cuantificado por: rad A 4 Don: rad Flujo calor por radiación, [ W emperatur a absoluta, [ K Constante Stefan - Boltzmann, 5, [ W / m K 4 La ley Stefan-Boltzmann, aplica a los nominados cuerpos negros, ue son auellos cuerpos ue emiten la mayor cantidad calor posible. En la práctica los cuerpos negros son una ialización, en realidad los cuerpos reales solamente emiten una fracción la energía ue emite un cuerpo negro. A dichos cuerpos se les nominan cuerpos grises. 7

8 Flujo calor en cuerpos grises Figura 1.6 Flujo calor en cuerpos grises Para el caso cuerpos grises la ecuación Stefan - Boltzmann se modifica, incluyendo la emisividad érmica,, forma ue para un cuerpo gris, el flujo calor viene dado por: rad A 4 Emisividad ( adimension al) La Emisividad pen la temperatura y el acabado superficial y varia entre 0 1. A continuación se presenta en la abla 1. los valores caracte rísticos la emisividad para una temperatura 300 K abla 1. Emisividad diversos materiales a 300 K Material ( 300 K ) Aluminio Pulido 0,04 Anodizado 0,8 Acero Pulido 0,17 Oxidado 0,87 Asfalto 0,87-0,93 Mara 0,8 0,9 Pintura Negra 0,98 Blanca 0,90 Piel 0,95 8