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.
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.
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
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
Introducción y Conceptos. En condiciones de estado estacionario y en ausencia de cualesquiera interacciones de trabajo, la relación de conservación de la energía para un volumen de control con una admisión y una salida y con cambio despreciables en las energías cinética y potencia, se puede expresar como: q ' mc p T
Introducción y Conceptos. El calor se puede transferir en tres modos diferentes: Conducción, convección y radiación.
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.
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
Conducción. donde: q' k T x 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
Conducción.
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.
Convección.
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.
Convección.
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).
Radiación.
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 donde: σ : constante de Stefan-Boltzmann igual a 5,67 x 10-8 (W/m 2 0 K 4 ) 4
Radiación. Para superficies reales : q 4 ( T T 1 4 2 ) 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.
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
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.
Balance de energía en una superficie Cuando no se toma en cuenta Generación ni Acumulación de energía T1 q q conducc convecc 0 T2 Tα q cond q conv E E in out 0
Ejemplos Las temperaturas de las superficies interna y externa de una ventana de vidrio de 6 mm de espesor son de 15⁰C y 4⁰C 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.
Ejemplos Un tubo que transporta vapor, tiene la Temperatura de 150ºC en la superficie exterior, 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. Si la superficie del tubo tiene una emisividad de 0.7 y considerando la temperatura de los alrededores igual a la del ambiente, calcular la pérdida total de calor.
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?.