Cap 1 Generalidades Transferencia de Calor
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Néstor Enrique Cerquera Peña Ing. Agrícola, MSc Tomado de: Transferencia de Calor de Frank Kreith y Transferencia de Calor de JP Hollman
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Néstor Enrique Cerquera Peña
Ing. Agrícola, MSc
Tomado de:
Transferencia de Calor de Frank Kreith y
Transferencia de Calor de JP Hollman
RELACIÓN DE LA TRANSFERENCIA DE
CALOR CON LA TERMODINÁMICA
Siempre que existe un gradiente de
temperatura en un sistema, o siempre
que dos sistemas con diferente
temperatura se ponen en contacto, se
transfiere energía.
El proceso mediante el cual se
transporta la energía se conoce como
transferencia de calor, donde lo que
se transfiere recibe el nombre de calor,
y no puede medirse u observarse de
manera directa, pero sí los efectos que
produce.
La rama científica que se ocupa dela relación entre el calor y otrasformas de energía se denominatermodinámica.
La primera ley de la termodinámica,
establece que la energía no se crea ni se
destruye, sólo se transforma de una forma
a otra y rige de forma cuantitativa toda las
transformaciones energéticas sin imponer
restricciones en la dirección de la
transformación.
La segunda ley de la termodinámica,
establece que no es posible un proceso
cuyo único resultado sea la transferencia
neta de calor de una región de
temperatura mayor a una de temperatura
menor.
La termodinámica clásica está limitadaprincipalmente al estudio de estadosde equilibrio, incluyendo el equilibriomecánico, químico y térmico, por lotanto, es por si sola, de poca ayuda enla determinación cuantitativa de latransformaciones que ocurren debido ala falta de equilibrio en los procesos deingeniería.
Todos los procesos de transferencia decalor involucran transporte y conversión deenergía.
Por consiguiente deben obedecer tanto ala primera como a la segunda ley de latermodinámica.
Transferencia de calor en ingeniería
CHIMENEA
TOLVA
COMPUERTA DE
INSPECCIÓN
DESCENIZADOR
Vista general del equipo intercambiador de calor
INTERCAMBIADOR DE
CALOR
DESHOLLINADOR
En termodinámica el factor tiempo no es
determinado, mientras que en ingeniería
el tiempo es el problema principal en los
procesos de transferencia de calor.
En el campo de la transferencia de calor,
se requiere del conocimiento no solo de
las leyes y mecanismos físicos de
transferencia de calor sino también de las
leyes y mecanismos de la mecánica de
fluidos, las física y las matemáticas.
MODOS EN QUE SE REALIZA EL
FLUJO DE CALOR
La transferencia de calor puede definirse
como la trasmisión de energía de una
región a otra, como consecuencia de una
diferencia de temperatura entre ellas.
CONDUCCIÓN
Proceso por el cual fluye calor de una regiónde mayor temperatura a una región de menortemperatura, dentro de un medio (sólido,líquido, gaseoso) o entre medios diferentes.
La temperatura de un elemento de materia esproporcional a la energía cinética media desus constituyentes moleculares.
RADIACIÓN
Proceso por el cual fluye calor desde uncuerpo de alta temperatura a un cuerpo debaja temperatura, cuando estos estánseparados por un espacio que inclusopuede ser el vacío.
La energía trasmitida de esta forma recibeel nombre de “calor radiante”
CONVECCIÓN
Proceso de transporte de energía por la accióncombinada de conducción de calor,almacenamiento de energía y movimiento demasa.
* Incremento de temperatura y energía interna
* Movimiento del fluido hacia la región de menortemperatura (variación de la densidad)
CONDUCCIÓN
JBJ Fourier 1822. estableció que la rapidez
de flujo de calor por conducción qk, en un
material, es igual al producto de las tres
cantidades siguientes:
1. La conductividad térmica del material, k.
2. El área de la sección a través de la cual
fluye el calor por conducción, A
(perpendicular al flujo de calor)
3. El gradiente de temperatura en la sección,
dT/dx; es decir la rapidez de variación de
la temperatura T con respecto a la
distancia x en la dirección de flujo de calor.
La dirección en que se incrementa x es la
dirección de calor positivo.
De acuerdo con la segunda ley de la
termodinámica el calor el fluirá desde
los puntos de temperatura mayor a los
puntos de temperatura más baja, el
flujo de calor será positivo cuando el
gradiente de temperatura sea negativo.
La ecuación elemental para conducción de calor
en estado estable en una dimensión es:
k: la conductividad térmica es una propiedad
del material e indica la cantidad del calor que
fluirá a través de un área unitaria, si el
gradiente de temperatura es la unidad.
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
Conductores alta conductividad
Aislante baja conductividad
La conductividad térmica varia con la
temperatura, pero en muchos problemas de
ingeniería la variación es tan pequeña que
puede despreciarse.
Para el caso de flujo de calor en estado
estable a través de una pared plana, el
gradiente de calor y el flujo de calor no
varía con el tiempo.
Si k es independiente de la temperatura, se tiene:
Al recíproco de la resistencia térmica se le
denomina conductancia térmica:
Resistencia térmica:
RADIACIÓN
La cantidad de energía que abandona una
superficie en forma de calor radiante,
depende de la temperatura absoluta y de la
naturaleza de la superficie.
Cuerpo negro emite energía radiante desde su
superficie a una rapidez qr
La transferencia neta de calor radiante requiere unadiferencia entre la temperatura de dos cuerposcualesquiera.
La razón neta de transferencia de calor radiante paraun cuerpo negro envuelto en una cubierta negra, estádada por :
La rapidez neta de calor transferido de un cuerpogris a temperatura T1 y un espacio cerrado negrocircundante a T2 es:
Si ninguno de los dos cuerpos es un radiador perfecto
y si ambos guardan una relación geométrica entre sí, la
transferencia de calor neta por radiación entre ellos es:
Módulo que modifica la ecuación para radiadoresperfectos, de acuerdo con los coeficientes de emisión y lasgeometrías relativas de los cuerpos reales.
Expresando la ecuación de radiación en términos
de la conductancia térmica por radiación se tiene:
Donde:
La unidad de conductancia térmica para radiación:
Resistencia térmica por radiación:
CONVECCIÓN
Relación propuesta por Isaac Newton en 1701, es
una definición de
Conductancia térmica para la transferencia de calor
por convección:
Resistencia térmica para la transferencia de calor
por convección:
MECANISMOS COMBINADOS EN LA
TRANSFERENCIA DE CALOR
En la práctica el calor es transferido a través
de diferentes secciones conectadas en serie y
la transferencia frecuentemente la efectúan
dos mecanismos en paralelo, para una
sección dada el sistema.
Relaciones básicas de las ecuaciones de cada uno de los tres
mecanismos básicos.
Gases como el CO, CO2, y H2o emiten y absorben
radiación.
Sección I.
Sección II.
En estado estable en la segunda sección el calor
es conocido a la misma rapidez y:
Sección III.
El calor fluye por convección de la pared al
refrigerante. Suponiendo que el calor radiante sea
despreciable se tiene:
En la práctica se conoce la temperatura del gas y la
temperatura del refrigerante; las temperaturas
intermedias pueden eliminarse por adición
algebraica:
SIMPLIFICANDO
Coeficiente total de transferencia de calor U
El área sobre la que se basa U debe ser siempre
establecido.
Para el flujo de calor a lo largo de una trayectoria
de la sección térmica en serie, la conductancia
total U*A es:
ANALOGÍA ENTRE EL FLUJO DE CALOR
Y EL FLUJO ELÉCTRICO
Dos sistemas son análogos cuando
obedecen a ecuaciones similares y tienen
también similares condiciones de frontera.
El flujo de calor a través de una resistencia térmica
es análogo al flujo de corriente directa a través de
una resistencia eléctrica. Ambos tipos de flujo
obedecen a ecuaciones similares.
Y según la ley de Ohm
Ecuación de flujo de corriente análogo es:
DIMENSIONES Y UNIDADES
Dimensión es una variable física utilizada para
especificar el comportamiento o naturaleza de un
sistema particular.
L: longitud
m: masa
F: fuerza
t: tiempo
T: temperatura
Segunda ley de movimiento – Newton-
Fuerza ~ rapidez de cambio de momento
Si la masa es constante:
donde
Entonces:
Trabajo y energía
Producto de duración de la aplicación de la fuerza
por distancia
Lbf*ft
Kgf*m = 9.806 J
1J = N*m
Energía basada en fenómenos térmicos
1 BTU elevará 1Lbm de agua 1°F a 68°F
1 cal elevará 1gr de agua 1°C a 20°C
1 Kcal elevará 1Kgm de agua 1°C a 20°C
Peso
Fuerza ejercida en él, como resultado de la
aceleración de la gravedad.
W= peso
g = aceleración de la gravedad
1 Lbm pesará 1 Lbf – al nivel del mar
1 Kgm pesará 1 Kgf – al nivel del mar
Sistemas
Sistema Ingles: ft, Lbm, Lbf, s, °F, BTU
Sistema internacional: m, N, Kg, s, °C
J (N*m) unidad de energía
W(J/s) unidad de potencia
Factores de conversión
1 BTU = 778.16 Lbf-ft
1 BTU = 1055 J
1 Kcal = 4182 J
1 Lbf-ft = 1.356 J
1 N = 1Kg-m/s2
°F = (9/5 )°C+32 = 1.8°C+32
°R=°F+459.69
°K=°C+273.16
°R=(9/5)°K
Cantidades de S.I. utilizados en transferencia de calor
Fuerza: N
Masa: kgm
Tiempo: s
Longitud: m
Temperatura: °C,°K
Energía: J
Potencia: W
Conductividad térmica: W/m°C
Coeficiente de transferencia de calor: W/m2°C
Calor específico: J/Kg°C
Flujo de calor: W/m2
