Profesora:

Marianela Fernández

LABORATORIO DE

OPERACIONES UNITARIAS I

UNIVERSIDAD DEL ZULIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BÁSICA

TRANSFERENCIA DE CALOR EN UN

SISTEMA DE SÓLIDOS

Objetivo General

Aplicar la ecuación de

Fourier en un sistema con

barras sólidas de diferentes

materiales.

Determinar el calor transferido,suministrado y perdido en cadaunidad.

Determinar la conductividadtérmica, resistencia térmica yconductancia del material de cadaunidad.

Determinar la resistencia térmicatotal en cada unidad.

Objetivos Específicos

Graficar la relación entre latemperatura y la longitud de cadasistema de área constante.

Determinar la cantidad de calortransferido en la unidad con áreavariable y compararla con el calortransferido para el mismo tipo desólidos de área constante.

Objetivos Específicos

CalorEs una forma de energía asociada al movimientode los átomos, moléculas y otras partículas queforman la materia. El calor es una energía quefluye de los cuerpos que se encuentran a mayortemperatura a los de menor temperatura.

Transferencia de CalorEs el proceso por el que se intercambia energía enforma de calor entre distintos cuerpos, o entrediferentes partes de un mismo cuerpo que están adistinta temperatura. Para que exista unatransferencia de calor debe de existir una diferenciade temperatura, la cual constituye la fuerzaimpulsora de la transferencia de calor.

TRANSFERENCIA DE CALOR

TRANSFERENCIA DE CALOR

El paso de energía térmica desde un cuerpo caliente a uno frío.

T1 T2

CUERPO 1 CUERPO 2T1>T2

Q

Para que exista transferencia

de calor se necesita que

exista una diferencia de

temperatura.

La dirección o sentido de flujo de calor

siempre va desde la temperatura más alta

a la más baja.

TRANSFERENCIA DE CALOR.Importancia y utilidad

La transferencia de calor esta envuelta en muchos procesosindustriales:

Suministrar: Precalentar corrientes en un proceso, para alcanzar la

temperatura de una reacción.

Separar componentes en una columna de destilación.

Producir el vapor en una caldera.

Retirar: En un reactor dependiendo si la reacción es endotérmica o

exotérmica.

En el agua de enfriamiento utilizada en los intercambiadoresde calor en un proceso.

Equipos Industriales donde esta envuelta la transferencia de calor

Intercambiadores de calor: Calentadores,condensadores

Torres de enfriamiento

Calderas

Evaporadores

Secadores

Hornos

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

La transferencia de calor se puede realizar portres mecanismos físicos:

1.CONDUCCIÓN.

2.CONVECCIÓN.

3. RADIACIÓN.

CONDUCCIÓN DE CALOR

La conducción de calor es unmecanismo de transferencia deenergía térmica entre dossistemas basados en el contactodirecto de sus partículas sin flujoneto de materia y que tiende aigualar la temperatura dentro deun cuerpo y entre diferentescuerpos en contacto.

Se produce por el choque de unas moléculas con otras,donde las partículas más energéticas le entreganenergía a las menos energéticas.

El calor no se transmite con la misma facilidad portodos los cuerpos.

CONVECCIÓN DE CALOR

Es el modo en que se transfiere la energíaentre una superficie sólida y el fluidoadyacente (líquido o gas).

Es el mecanismo de transferencia de calorpor movimiento de masa o circulacióndentro de la sustancia.

Se caracteriza porque ésta se produce através del desplazamiento de partículasentre regiones con diferentestemperaturas.

Se produce únicamente en materialesfluidos.

Éstos al calentarse disminuyen su densidady ascienden al ser desplazados por lasporciones superiores que se encuentran amenor temperatura. Lo que se llamaconvección en sí, es el transporte de calorpor por medio de las parcelas de fluidoascendente y descendente

La transferencia de calorpor convección se modelacon la Ley del Enfriamientode Newton:

)( infTThAt

Qss

h= Coeficiente de transferencia de calor

RADIACIÓN DE CALOR La radiación térmica es la energía emitida por la

materia que se encuentra a una temperaturadada.

Se produce directamente desde la fuente haciaafuera en todas las direcciones. Esta energía esproducida por los cambios en las configuracioneselectrónicas de los átomos o moléculas.

Esta energía es transportada por ondaselectromagnéticas o fotones, por lo que recibe elnombre de radiación electromagnética.

El calor se transfiere a través del espacio porondas calóricas que viajan en línea recta en todasdirecciones

Donde: σ: Constante de Stefan-Boltzmann ε: Emisividad de la superficieA: ÁreaT: Temperatura absoluta

CONDUCCIÓN DE CALOR

El calor no se transmite con la misma facilidad por todos los cuerpos

Buenos conductores: son aquellos materiales que permiten elpaso de calor a través de ellos.

Malos conductores: son aquellos materiales que oponen mucharesistencia al paso de calor a través de ellos.

Se suelen utilizar como aislantestérmicos específicos materialescombinados de sólidos y gases: fibrade vidrio, lana de roca, vidrioexpandido, poliestireno expandido,espuma de poliuretano,aglomerados de corcho, etc.

Conductividad térmica (k)

Es una propiedad física intrínseca de los materiales que valora lacapacidad de conducir el calor a través de ellos.

Capacidad de una sustancia de transferir el movimiento cinético desus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otrassubstancias con las que está en contacto.

Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y esbaja en los gases y en materiales iónicos y covalentes, siendomuy baja en algunos materiales especiales como la fibra devidrio.

El valor de la conductividadvaría en función de latemperatura.

La inversa de la conductividadtérmica es la resistividadtérmica, que es la capacidadde los materiales paraoponerse al paso del calor.

El coeficiente de conductividad térmica (k) , representa la cantidad de

calor necesario por m2, para que atravesando durante la unidad de

tiempo, 1 m de material obtenga un diferencia de 1 ºC de temperatura

entre las dos caras.

Conductividad térmica (k)

Ley de conducción de calor: Ley de Fourier

La conducción térmica está determinada porla ley de Fourier. Establece que la tasa detransferencia de calor por conducción enuna dirección dada, es proporcional al áreanormal a la dirección del flujo de calor y algradiente de temperatura en esa dirección.

donde

Qx : es la tasa de flujo de calor que

atraviesa el área A en la dirección x.

La constante de proporcionalidad k :

se llama conductividad térmica.

T : es la temperatura y t el tiempo.

T1 T2

El signo menos indica que la conducción

de calor es en la dirección decreciente

de la temperatura.

x

TkA

t

Qx

CONDUCCIÓN: Aplicaciones Prácticas

dZ

dTK

A

q

2

10

TL

T

kdTdZA

q

)( 12 TTKLA

q )( 21 TTKL

A

q

Varillas

q

T1 T2

r

Z

L

TTKAq

)( 21

R

T

KAL

TTq

)( 21

2RA

Resistencia

Fuerza impulsora

K R q

K R q

CONDUCCIÓN: Aplicaciones Practicas

Varillas en serie

q

r

Z

k1

k2

T1

T3T2

T1 > T3

L1 L2

T1 > T2> T3

AKL

TTq

11

21 )(

AKL

TTq

22

32 )( (1) (2)

De (1) AK

LqTT

1

121 )(

AK

LqTT

2

232 )( De (2)

)()()(2

2

1

13221

AK

L

AK

LqTTTT

(1)+(2)

iR

TT

RR

TT

AKLAKL

TTq

)()(

)()(

)( 31

21

31

2211

31

RESISTENCIA TERMICA (R)

CONDUCTANCIA (C)

CALOR PERDIDO

QPERDIDO = QSUMINISTRADO - QTRANSFERIDO

ZL

Definiciones Básicas

AK

ZR

1

TCpmq otransferid .

Conducción

Varillas área variable

dZ

dTK

A

q

2

1

2

0

2

112

TZ

T

kdTdZ

RZL

RR

q

2rA baZr LZRr

ZRr

,2

0,1 bR 1

L

RRa

12

112

RZL

RRr

L

ZRRRRk

Z

TT

kA

Z

TTq

22

121

2

1

2121 )()(

Procedimiento Experimental

Unidad 1: Barra Fe,Cu y Fe Unidad 2: Barra Fe, Al

y Mg

Unidad 3: Fe A=variable

Unidad 4: Fe A= Cte

Vatímetro

Indicador de Temperatura

Unidad 5: Sistema de aguaque se transporta por las 4unidades.

Hoja de Toma de Datos

Experiencia 1. Valores de las temperaturas medidas para cada termocupla en las unidades

TERMOCUPLAUNIDAD I UNIDAD II UNIDAD III UNIDAD IV

T(ºC) T(ºC) T(ºC) T(ºC)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Hoja de Toma de Datos

Experiencia 2. Tiempo promedio de llenado de un cilindro de 30ml de agua de cada unidad

UNIDAD TIEMPO (s)

1

2

3

4

UNIDAD TENTRADA (ºC) TSALIDA (ºC)

1

2

3

4

Experiencia 3. Tiempo Valores de temperatura entrada y salida del agua en cada unidad.

Hoja de Toma de Datos

Experiencia 4. Calor suministrado por la resistencia para cada unidad

Experiencia 5. Valores de las distancias entre termocuplas.

UNIDAD QSUMINISTRADO (W)

1 y 2

3 y 4

Termocupla x (m) Material T (°C) K (W/m °C) R (°C/W) C (W/°C)

1-2

3-4

4-5

5-6

7-8

8-9

9-10

Seguridad

Guantes Térmicos

Lentes de seguridad

Bata