UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTBAL DE HUAMANGA

FACULTAD DE INGENIERA QUMICA Y METALURGIA

Departamento Acadmico de Ingeniera Qumica

ESCUELA DE FORMACIN PROFESIONAL DE INGENIERA QUMICA

ASIGNATURA: IQ-443

TRANSFERENCIA DE CALOR

TEORIA DE TRANSFERENCIA DE CALOR

PROFESOR DE TEORA:Ing. ENCISO LOPEZ, Bernardo

PROFESOR DE PRCTICA:Ing. ZEGARRA VILA, Anna E.

ALUMNO:TERRES LEN, Eder Moiss

AYACUCHO - PER

2015

1. Qu es la transferencia de calor? Cmo se transfiere este? Por qu es importante su estudio?

a) La transferencia de calor es la ciencia que trata de predecir el intercambio de energa que puede tener lugar entre cuerpos materiales, como resultado de una diferencia de temperatura. La termodinmica ensea que esta transferencia de energa se define como calor. La ciencia de la transferencia de calor pretende no slo explicar cmo la energa trmica puede ser transferida, sino tambin predecir la rapidez con la que, bajo ciertas condiciones especficas, tendr lugar esa transferencia.b) Transferencia de calor es la energa en trnsito debido a una diferencia de temperaturas.En las obras sobre transferencia de calorse reconocen por lo general tres modos distintos de transmisin de calor: por conduccin,por radiacin y por conveccin.c) Desde un punto de vista ingenieril, el problema clave es la determinacin de la tasa de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especificada. Para estimar el costo, posibilidad y tamao del equipo necesario para transferir una cantidad de calor especificada en un tiempo dado, se debe efectuar un anlisis de transferencia de calor. Las dimensiones de calderas, calentadores, refrigeradores e intercambiadores de calor dependen no solo de la cantidad de calor que se debe transmitir, sino tambin de la tasa a la que el calor se transferir ante las condiciones dadas. El funcionamiento exitoso de los componentes de un equipo como los alabes de una turbina o las paredes de una cmara de combustin, depende de la posibilidad de poder enfriar ciertas partes metlicas removiendo de manera continua calor de una superficie a un ritmo rpido. Un anlisis de transferencia de calor tambin se debe realizar en el diseo de mquinas elctricas, transformadores y cojinetes para evitar condiciones que ocasionen sobrecalentamiento y dao del equipo.

Importancia y aplicaciones prcticas diversas de la transferencia de calor:

Industria qumica, petroqumica y de proceso:intercambiadores de calor, reactores, recalentadores, etctera.Generacin y distribucin de energa: calderas, condensadores, torres de enfriamiento, calentadores de agua de alimentacin, enfriamiento del transformador, enfriamiento del cable de transmisin, etctera.Aviacin y exploracin espacial: enfriamiento de labes de turbinas de gas, blindajes de calor de vehculos, enfriamiento de motores/toberas de cohetes, trajes espaciales, generacin de energa en el espacio, etctera.Mquinas elctricas y equipo electrnico: enfriamiento de motores, generadores, computadoras y dispositivos microelectrnicos, etctera.Manufactura y procesamiento de materiales: procesamiento de metales, tratamiento trmico, procesamiento de materiales compuestos, crecimiento de cristales, micromaquinado, maquinado lser, etctera.Transporte: enfriamiento de motores, radiadores automotrices, control del clima, almacenamiento mvil de alimentos, etctera.Fuego y combustin.Cuidado de la salud y aplicaciones biomdicas: calentadores de sangre, almacenamiento de rganos y tejidos, hipotermia, etctera.Calefaccin, ventilacin y acondicionamiento de aire: acondicionadores de aire, calentadores de agua, chimeneas, enfriadores, refrigeradores, etctera.Cambios climticos y medioambientales.Sistema de energa renovable: colectores de placas planas, almacenamiento de energa trmica, enfriamiento de mdulosPV, etctera.2. Explique cmo ocurren los diferentes mecanismos de transferencia de calor, y d tres ejemplos para cada uno

a) Conduccin: ocurre cuando existe un gradiente de temperatura a travs de un slido o un fluido estacionario (lquido o gas); a travs de mecanismos microscpicos, tales como la vibracin de las celdas y movimiento de electrones. No existe un movimiento global del medio, es estrictamente un proceso difusivo.Ej.: Llegar el momento en que una bebida enlatada fra en un cuarto clido se caliente hasta la temperatura ambiente como resultado de la transferencia de calor por conduccin, del cuarto hacia la bebida, a travs del aluminio.Tengo una barra metlica con un extremo a 80C y otro a temperatura ambiente, si no tengo ninguna otra influencia externa y el extremo caliente se mantiene a 80C, habr una transferencia de calor por conduccin desde el extremo caliente hacia el fro incrementando la temperatura de este ltimo.Perdidas de calor a travs de un techo.Perdidas de calor de una papa horneada caliente.

b) Conveccin: ocurre dentro de un fluido en movimiento, o entre una superficie slida y un fluido en movimiento cuando estn a diferentes temperaturas, es decir se apoya en el movimiento global del medio.Ej.: El enfriamiento de un bloque caliente al soplar aire fro sobre su superficie superior.Enfriamiento de un huevo cocido por conveccin forzada y conveccin natural.Cuando el sol calienta una piscina, y el calor del agua se desprende hacia el aire.Cuando se evapora el agua de la caldera y calienta los vidrios de sus alrededores.Cuando te baas y el vapor del bao empaa los vidrios.El enfriamiento del caf con una taza.Cuando se evapora el agua de la caldera y calienta los vidrios de sus alrededores

c) Radiacin: ocurre entre dos superficies separadas, debido a fenmenos electromagnticos, descritos por las relaciones Maxwell y no necesariamente dependen del medio.

Ej: Laradiacin infrarrojade unradiadordomstico comn o de uncalefactor elctricoes un ejemplo de radiacin trmica.Laluzemitida por unalmpara incandescente. La radiacin trmica se produce cuando el calor del movimiento departculas cargadasdentro de lostomosse convierte en radiacin electromagntica.El calor atraviesa una habitacin por la ventana en forma de rayos infrarrojos.El sol o un objeto caliente, notas que emana calor sin tocarlo.

3. Qu relacin existe entre la transferencia de calor y el balance de energa?

Al analizar un sistema, adems de las ecuaciones de la tasa de transferencia de calora menudo se utiliza la primera ley de la termodinmica, o ley fundamental de conservacin de la energa.

Si bien, como ya se mencion, solo mediante un anlisis termodinmico no se puede predecir la tasa a la que ocurrir la transferencia en trminos del grado de desequilibrio trmico, se deben obedecer las leyes bsicas de la termodinmica (tanto la primera como la segunda). As pues, cualquier ley fsica que se deba satisfacer por un proceso o un sistema proporciona una ecuacin que se puede utilizar para el anlisis.

4. Explique la metodologa que se aplica al anlisis y resolucin de problemas de transferencia de calor

Tcnica de resolucin de problemas:

El primer paso en el aprendizaje de cualquier ciencia es captar los fundamentos y adquirir un conocimiento slido de ella. El paso siguiente es dominar los fundamentos al poner a prueba este conocimiento.

Paso 1: Enunciado del problemaCon sus propias palabras exprese con brevedad el problema, la informacin clave que se le proporciona y las cantidades que debe hallar.

Paso 2: EsquemaDibuje un esquema realista del sistema fsico que interviene y haga una listade la informacin pertinente sobre la figura.Paso 3: Suposiciones y aproximacionesEnnciense cualesquiera suposiciones y aproximaciones apropiadas que se establezcan con el fin de simplificar el problema y hacer posible una solucin.

Paso 4: Leyes fsicasAplique todas las leyes y principios fsicos bsicos pertinentes (como la conservacin de la energa) y redzcalos hasta su forma ms sencilla aplicando las suposiciones establecidas.

Paso 5: PropiedadesDetermine las propiedades desconocidas necesarias para resolver el problema, con base en relaciones o tablas de propiedades.

Paso 6: ClculosSustituya las cantidades conocidas en las relaciones simplificadas y realice los clculos con el fin de determinar las incgnitas.

Paso 7: Razonamiento, verificacin y discusinAsegure las comprobaciones con el fin de que los resultados obtenidos sean razonables e intuitivos, y verifique la validez de las suposiciones cuestionables.

5. Qu es la conductividad trmica? Cmo se determina experimentalmente? Cul es la influencia de la temperatura sobre sta para los distintos materiales?

a) De acuerdo con la ley de Fourier, la conductividad trmica se define Como:

La conductividad trmica de un material se puede definir como la razn de transferencia de calora travs de un espesor unitario del material por unidad de rea por unidadde diferencia de temperatura.

b) Determinacin experimental de k solidos no metlicos:

En la figura 2.1 se muestra un aparato para la determinacin de la conductividad trmica de solidos no metlicos. Consiste de una placa calefactora elctrica, dos especmenes idnticos de prueba a travs de los cuales fluye el calor y dos chaquetas de agua con los cuales el calor se elimina. La temperatura en ambas fases del espcimen y a sus lados se mide por medio de termocoples. Este aparato est provisto de un anillo protector para asegurar que todo el calor medido que entra a las placas pase a travs de los especmenes con una perdida despreciable por sus lados. Este anillo protector rodea el conjunto de prueba y consiste de un calentador auxiliar intercalado entre las porciones del material que se prueba. Mientras la corriente entra a la placa protectora, la entrada al calentador auxiliar se ajusta hasta que no haya diferencia de temperatura entre el espcimen y los puntos adyacentes en el anillo protector. Las observaciones se hacen cuando la entrada de calor y las temperaturas en ambas fases del espcimen permanecen estables. Ya que la mitad del gasto elctrico medido fluye a travs de cada espcimen y la diferencia de temperatura y dimensiones del espcimen se conocen, k se puede computar directamente de la Ec. 2.

Lquidos y gases:

Hay grandes dificultades en la determinacin de conductividades de lquidos y gases. Si el calor fluye a travs de una pelcula gruesa de lquido o gas, se origina conveccin libre y la conductividad es decepcionantemente alta. Para reducir la conveccin es necesario usar pelculas muy delgadas y diferencia de temperatura muy reducida, con los consiguientes errores en la medicin. Un mtodo aplicable a fluidos viscosos consiste de una pequea barra de conductor elctrico que pasa a travs de un tubo horizontal que se llena con el lquido a probar. El tubo se sumerge en un bao a temperatura constante. La resistencia del alambre se calibra contra su temperatura. Para cierta razn de entrada de calor y para la temperatura del alambre obtenida de la medida de la resistencia, la conductividad puede calcularse usando ecuaciones apropiadas. Sin embargo, hay un mtodo ms exacto, el de Bridgman y Smith, consiste de un nulo de fluido muy pequeo entre dos cilindros de cobre sumergidos en un bao a temperatura constante, como se muestra en la figura 2.2. El calor suministrado al cilindro interior por la resistencia, fluye a travs de la pelcula al cilindro exterior, donde se elimina por el bao. Este aparato, a travs del uso del depsito, asegura que el nulo este lleno de lquido y se adapta tambin a gases. La pelcula es de 1/64 pulg. De grueso y la diferencia de temperatura se mantiene muy reducida.

c) Influencia de la temperatura y la presin en k:

La conductividad trmica de los slidos es mayor que la de los lquidos, la que a su vez es mayor que la de los gases. Es ms fcil transmitir calor a travs de un slido que a travs de un lquido y ms fcil por un lquido que por un gas. Algunos slidos, tales como los metales, tienen altas conductividades trmicas y se llaman conductores. Otros tienen bajas conductividades y son malos conductores del calor. Estos son aislantes. Las conductividades de los slidos pueden, ya sea aumentar o disminuir con la temperatura, y en algunos casos pueden hasta invertir su velocidad de cambio de una disminucin a un incremento. Para la mayora de los problemas prcticos no hay necesidad de introducir unfactor de correccin para las variaciones de la conductividad trmica con la temperatura. Sinembargo, la variacin puede usualmente expresarse por la ecuacin lineal siguiente:

Donde ko es la conductividad a F y es una constante que denota el cambio en la conductividad por grado de cambio en la temperatura. La conductividad para muchos lquidos decrece con aumento en la temperatura, aunque el agua es una excepcin notable. Para todos los gases y vapores comunes, hay un aumento con aumento en la temperatura. Sutherland dedujo una ecuacin a partir de la teora cintica que es aplicable a la variacin de la conductividad de los gases con la temperatura:

Dnde:Ck: Constante de SutherlandT: Temperatura absoluta del gas, RK32: Conductividad del gas a 32F

Parece ser que la influencia de la presin en la conductividad de lo slidos y lquido es despreciable, y los datos reportados sobre gases son muy inexactos debido a los efectos de la conveccin libre y radiacin, que no permite hacer generalizaciones. A partir de la teora cintica de los gases, se puede concluir que la influencia de la presin deber ser pequea, excepto a vacos muy bajos.

6. Cmo se establece la ecuacin de difusin de calor en las distintas coordenadas espaciales?

ECUACION DE DIFUSION DE CALOR:

En coordenadas cartesianas:

En coordenadas cilndricas:

En coordenadas esfricas:

7. Qu es resistencia trmica? Cmo se define este concepto para los distintos mecanismos de transferencia de calor? Cul es la analoga entre el circuito de resistencias trmicas y de resistencias elctricas?

a) Resistencia trmica:Es la resistencia que se la pared o medio opone al flujo de calor ya sea por conduccin, conveccin o por radiacin.b) Definicin para los distintos mecanismos de trans. De calor:

c) Existe una analoga entre los sistemas de flujo de calor y los circuitos elctricos DC. Como se muestra en la figura 1.3 el flujo de corriente elctrica i, es igual al potencial de voltaje E1 - E2, dividido entre la resistencia elctrica, Re, en tanto que la tasa de flujo de calor, qk, es igual al potencial de temperatura T1 - T2 dividido entre la resistencia trmica Rk. Esta analoga es una herramienta til, en especial para visualizar situaciones ms complejas.

8. Qu son superficies extendidas o aletas? En qu casos se usan? Cmo se clasifican? Cmo se deduce la ecuacin general de distribucin de temperatura? En qu casos se usan la efectividad y eficiencia de las aletas?

SUPERFICIES EXTENDIDAS: ALETAS

a) Son dispositivos que hacen posible aumentar la transferencia de calor de un sistema aumentando su rea superficial.b) Las aletas se usan cuando el coeficiente de transferencia de calor hc es bajo, lo cual sucede con frecuencia en gases como el aire, especialmente en condiciones de conveccin natural. Es decir las aletas se agregan para aumentar el producto hcA.c) Clasificacin de aletas:

d) La velocidad de transferencia de calor desde una superficie est dado por:

En muchas situaciones la temperatura mxima de la superficie (Ts) la temperatura mnima del fluido (T), y la temperatura mnima del medio circundante (Tsurr.) son fijos. La velocidad de transferencia de calor puede ser aumentada por: incremento del coeficiente de transferencia de calor (h). y/o aumento de la superficie (A). Las aletas o superficies extendidas son usadas para aumentar la velocidad de transferencia de calor aumentando el rea superficial.

ALETAS: ECUACION GENERAL

Aplicando lmites cuando x0 se obtiene la ecuacin diferencial general que define la distribucin de temperatura para las aletas:

Reemplazando la ley de Fourier:

Se obtiene la forma adimensional de la ecuacin diferencial general de distribucin de temperaturas para aletas:

e) Efectividad y eficiencia de una aleta:

Efectividad de una aleta:

Este concepto define la relacin entre la transferencia de calor de la alela y la transferencia de calor que existira sin la aleta:

En cualquier diseo racional el valor de la efectividad de la aleta debe ser lo suficientemente grande, en general su uso se justifica siempre que:

Para el caso D es decir para una aleta infinita la efectividad es:

De aqu se deduce que la efectividad aumenta a medida que disminuye h.

Eficiencia de la aleta:

Es la relacin entre la cantidad de calor transferido por la aleta con la cantidad que transferira si la temperatura de la aleta sera la misma de la base.

9. Qu es coeficiente de transferencia de calor y de qu propiedades depende? Cmo se determina el coeficiente promedio de transferencia de calor? Qu es coeficiente global de transferencia de calor y como se determina para los casos de paredes compuestas en las distintas coordenadas?

a) El coeficiente de transferencia de calor por conveccin h no es una propiedad del fluido. Es un parmetro que se determina en forma experimental y cuyo valor depende de todas las variables que influyen sobre la conveccin, como la configuracin geomtrica de la superficie, la naturaleza del movimiento del fluido, las propiedades de ste y la velocidad masiva del mismo.

b) El coeficiente local hc se define mediante:dqc = hc dA(Ts - T)

En tanto que el coeficiente promedio hc se puede definir en trminos del valor local por

En la mayora de las aplicaciones en ingeniera, el inters es en los valores promedio.

c) Existen ciertos tipos de problemas, muy notables en el diseo de intercambiadores de calor, en donde es conveniente combinar las resistencias o conductancias individuales del sistema trmico en una cantidad denominada conductancia unitaria global, transmitancia global o coeficiente global de transferencia de calor U. El uso de un coeficiente global es conveniente para la notacin y es importante no perder de vista el significado de los factores individuales que determinan el valor numrico de U.

Al escribir la ecuacin de conduccin y conveccin en serie en trminos de un coeficiente global se obtiene:

El coeficiente global U se puede apoyar en cualquier rea elegida. El rea seleccionada se convierte en particularmente importante en la transferencia de calor a travs de las paredes de tubos en un cambiador de calor y para evitar confusiones siempre se debe establecer el rea base de un coeficiente global.

Para esta pared compuesta el coeficiente global de transferencia de calor es:

10. Por qu es importante la transferencia de calor bidimensional y en estado transitorio? Establezca la metodologa de anlisis y resolucin de problemas para estos tipos de clculos de transferencia de calor.

CONDUCCION BIDIMENSIONALLa ecuacin de distribucin de temperatura para condiciones de estado estable en dos dimensiones sin generacin y con conductividad trmica constante es:

Esta ecuacin en derivadas parciales se puede determinar mediante los mtodos analtico, grfico, y numrico (de diferencias finitas, de elemento finito o elemento de frontera)

MTODO GRFICO:

El mtodo grafico se emplea para problemas bidimensionales que incluyen fronteras adiabticas e isotrmicas. El planteamiento demanda algo de paciencia y talento artstico (sin mencionar el uso de papel grueso y una buena goma de borrar) y ha sido reemplazado en gran medida por las soluciones de computadora que se basan en procedimientos numricos.A pesar de sus limitaciones, el mtodo permite obtener una primera estimacin de la distribucin de temperaturas y desarrollar una valoracin fsica de la naturaleza del campo de temperaturas y del flujo de calor en un sistema.

Metodologa de la construccin de una grfica de flujo:

La base del mtodo grafico viene del hecho de que las lneas de temperatura constante deben ser perpendiculares a las lneas que indican la direccin del flujo de calor.El objetivo del mtodo grafico es construir de manera sistemtica dicha red de isotermas y lneas de flujo de calor. Esta red, normalmente denominada grafica de flujo, se usa para inferir la distribucin de temperaturas y el flujo de calor en el sistema.Considere un canal bidimensional cuadrado cuyas superficies interior y exterior se mantienen a T1 y T2, respectivamente. En la figura 4.4a se muestra una seccin transversal del canal. Los pasos de un procedimiento para construir la grfica de flujo, parte de la cual se muestra en la figura 4.4b se enumeran a continuacin:

1. El primer paso en cualquier grafica de flujo debe ser la identificacin de todas las lneas de simetra relevantes. Estas lneas se determinan por condiciones trmicas as como por condiciones geomtricas. Para el canal cuadrado de la figura 4.4a., estas lneas incluyen las verticales, horizontales y diagonales que se designan. Por tanto, para este sistema es posible considerar solo un octavo de la configuracin, como se muestra en la figura 4.4b.2. Las lneas de simetra son adiabtica en el sentido de que quiz no haya transferencia de calor en una direccin perpendicular a las lneas. Por tanto, son lneas de flujo de calor y deben tratarse como tales. Como no hay flujo de calor en una direccin perpendicular a la lnea de flujo de calor, esta lnea se denomina adiabtica.

3. Despus de que todas las lneas conocidas de temperatura constante asociada con las fronteras del sistema hayan sido identificadas, debe hacerse un intento de dibujar las lneas de temperatura constante dentro del sistema. Advierta que las isotermas siempre deben ser perpendiculares a las adiabticas.4. Las lneas de flujo de calor deben entonces dibujarse con la finalidad de crear una red de cuadrados curvilneos. Esto se logra haciendo que las lneas de flujo de calor de las isotermas se intersequen en ngulos rectos y que todos los lados de cada cuadrado sean de aproximadamente la misma longitud. A menudo es imposible satisfacer en segundo requerimiento con exactitud, y resulta ms realista procurar la equivalencia entre las sumas de los lados opuestos de cada cuadrado, como se muestra en la figura 4.4c. Al asignar la coordenada x a la direccin del flujo de calor y la coordenada a la direccin normal a este flujo, el requerimiento se expresa como

Es difcil crear una red satisfactoria de cuadrados curvilneos al primer intento y con frecuencia deben realizarse numerosas iteraciones. Este proceso de ensayo y error implica ajustar las isotermas y adiabticas hasta que se obtienen cuadrados curvilneos satisfactorios para la mayor parte de la red. Una vez que se logra la grfica de flujo, se para inferir la distribucin de temperaturas en el medio. A partir de un anlisis puede obtenerse la transferencia de calor