Trabajo de Investigacion de Termodinamica 3 Parcial

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI

Carrera: INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

Nivel: QUINTO “A”

Periodo académico: ABRIL 2015 - AGOSTO 2015

Asignatura: TERMODINAMICA

Tipo de trabajo: TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

Tema: TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCION

Grupo: N° 3

Integrantes

GUILCAMIAGUA GUAMUSHIG CÉSAR AUGUSTO

GUZMAN PULAMARIN FABRICIO ISAUL

MUSUÑA CHUGCHILAN CARLOS RUBEN

TOAPAXI TOAPAXI LUIS ANTONIO

Fecha de presentación: 12 DE AGOSTO DEL 2015

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI INGENIERÍA ELECTROMECÁNICAPERIODO: ABRIL – AGOSTO 2015 TERCER PARCIAL NIVEL: QUINTO

TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

TRANSFERENCIA DE CALOR

Se puede definir como el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor

temperatura a otro de menor temperatura. Como ejemplo podemos decir que un

objeto solido o un fluido, se encuentran a una temperatura diferente de la de su

entorno u otro cuerpo, se dice que la transferencia de energía térmica, también

conocida como transferencia de calor y esto ocurre de tal manera que los cuerpos

alcancen equilibrio termodinámico. Esta siempre ocurre desde un cuerpo caliente

a uno más frio, he ahí la segunda ley de la termodinámica y es cuando existe una

diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, la

transferencia de calor no puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta.

La transferencia de calor cambia la energía interna de ambos sistemas

implicados, de acuerdo con la primera ley de la Termodinámica.

Dentro de la transferencia de calor se puede dar de tres maneras como se detalla

en la figura 1.

Fig. 1 Formas de transferir calorFuente: www.correodelmaestro.com

- Por conducción

- Por convección

- Por radiación

Transferencia de calor por convección Página | 1



De las cuales vamos a tratar la transferencia de calor por convección misma que

se detallara a continuación.

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN

Una de las formas de transferir calor es también mediante la convección que es

una de las 3 formas que se utiliza para transferir calor dentro de la termodinámica.

Este se caracteriza porque se produce por medio de un fluido que transporta el

calor entre las zonas con diferentes temperaturas. La convección es el modo de

transferencia de energía entre una superficie sólida y el líquido o gas adyacentes

que están en movimiento y comprende los efectos combinados de la conducción y

el movimiento de fluidos. Entre más rápido es el movimiento de un fluido, mayor

es la transferencia de calor por convección. En ausencia de cualquier movimiento

masivo de fluido, la transferencia de calor entre una superficie sólida y el fluido

adyacente es por conducción pura. La presencia de movimiento masivo del fluido

acrecienta la transferencia de calor entre la superficie sólida y el fluido, pero

también complica la determinación de las razones de esa transferencia.

Considere el enfriamiento de un bloque caliente al soplar aire frío sobre su

superficie superior (figura 2). La energía se transfiere primero a la capa de aire

adyacente al bloque, por conducción. Enseguida, esta energía es acarreada

alejándola de la superficie, por convección; es decir, por los efectos combinados

de la conducción dentro del aire, que se debe al movimiento aleatorio de

moléculas de éste, y del movimiento masivo o macroscópico de ese aire que

remueve el aire calentado, cercano a la superficie y lo reemplaza por otro más

frío.




Fig. 1 Transferencia de calor de una superficiecaliente hacia el aire por convección

Fuente: Termodinámica de Cengel 4ta edición

Incluso, se puede llamar convección al proceso de transferencia de calor entre un

gas y un sólido o entre un líquido y un sólido a diferentes temperatura. Los

procesos de transferencia de calor que comprenden cambio de fase de un fluido

también se consideran como convección a causa del movimiento de ese fluido

inducido durante el proceso, como la elevación de las burbujas de vapor durante

la ebullición o la caída de las gotitas de líquido durante la condensación. A pesar

de la complejidad de la convección, se observa que la rapidez de la transferencia

de calor por convección es proporcional a la diferencia de temperatura y se

expresa en forma conveniente por la ley de Newton del enfriamiento como:

Q˙conv=h A s(T s−T ∞) [1]

Donde:

h = Coeficiente de transferencia de calor por convección [W/m2 ·°C o

Btu/h·ft2 ·°F]

As = Área superficial

Ts = Temperatura de superficie

T∞ = Temperatura de fluido




El coeficiente de transferencia de calor por convección h no es una propiedad del

fluido. El coeficiente de transferencia de calor por convección depende de la

densidad, viscosidad y velocidad del fluido, así como de sus propiedades térmicas

(conductividad térmica y calor específico). La resistencia térmica en la

transferencia de calor por convección viene dada por:

RC=1hC A

[2]

Donde:

RC = Resistencia térmica

hC = Conductancia convectiva térmica unitaria o coeficiente de

transferencia de calor por convección

A = Área superficial en contacto con el fluido en [m2]

Es un parámetro que se determina en forma experimental y cuyo valor depende

de todas las variables que influyen sobre la convección, como la configuración

geométrica de la superficie, la naturaleza del movimiento del fluido, las

propiedades de éste y la velocidad masiva del mismo, podemos observar valores

para h en la siguiente tabla 1.

TABLA 1 VALORES TÍPICOS DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN

Valores típicos del coeficiente de transferencia de calor por

convección

Tipo de convección h, W/m2 · °C*

Convección libre de gases 2 - 25

Convección libre de líquidos 10 – 1000

Convección forzada de gases 25 – 250

Convección forzada de líquidos 50 – 20000

Ebullición y condensación 2500 – 100000Tabla 1: Valores típicos del coeficiente de transferencia

de calor por convecciónFuente: Termodinámica de Cengel 4ta edición




Algunos no consideran a la convección como un mecanismo fundamental de

transferencia del calor ya que, en esencia, es conducción de calor en presencia

de un movimiento de fluido. Pero todavía se necesita dar un nombre a este

fenómeno combinado, a menos que se desee seguir refiriéndose a él como

“conducción con movimiento de fluido”. Por tanto, resulta práctico reconocer a la

convección como un mecanismo separado de transferencia del calor, a pesar de

los argumentos válidos en contra.

Convección de la atmósfera de la tierra

La transferencia de calor por convección da origen a los vientos y corrientes de

aire, pues en el día el Sol calienta el suelo, el cual cede parte de su energía al aire

por conducción y este se calienta por convección. Al calentarse el aire, su

densidad disminuye y se hace más liviano, subiendo.

El aire más frío baja, pues es más pesado debido a una densidad mayor que el

aire caliente. Parte del aire caliente sube creando corrientes del mismo y otra se

mueve horizontalmente creándose los vientos. El aire caliente que ha subido muy

alto cede este calor por la noche, regulando la temperatura terrestre, y evitando el

calentamiento global.

Mecanismo de transferencia de calor por convección

Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen)

suele disminuir. Dentro de la transferencia de calor podemos hacerlo de dos

maneras:

Convección natural.- Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el

fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más

denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no

uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. Como

contraste, se dice que es convección natural (o libre) si el movimiento del fluido es




causado por las fuerzas de empuje que son inducidas por las diferencias de

densidad debidas a la variación de la temperatura en ese fluido así como se

detalla la figura 3.

Fig. 3 Transferencia de calor por convección natural


Convección forzada.- Se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones,

con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de

fluidos. La convección recibe el nombre de convección forzada si el fluido es

forzado a fluir sobre la superficie mediante medios externos como un ventilador,

una bomba o el viento así como lo detalla la figura 4.

Fig. 4 Transferencia de calor

por convección forzada





Ejemplo de transferencia de calor por convección

Si enciendo un radiador (figura 5) y espero a que alcance una temperatura

bastante alta, no tengo más que poner una mano encima (a una distancia

prudencial) para ver que existe un flujo de aire por convección natural. El aire

alrededor del radiador se calienta disminuyendo su densidad, por lo tanto, al

pesar menos que el aire ambiente, fluye hacia arriba dando paso a un “aire de

renovación” alrededor del radiador, reiniciando el proceso de forma cíclica.

Fig. 5 Transferencia de calor por convección

Fuente: (http://nergiza.com/)

Mecanismos simultáneos de transferencia de calor

Se mencionó que existen tres mecanismos de transferencia de calor, pero no

pueden existir simultáneamente los tres en un medio. Por ejemplo, la

transferencia de calor sólo ocurre por conducción en los sólidos opacos, pero por

conducción y radiación en los sólidos semitransparentes. Por tanto, un sólido

puede comprender conducción y radiación pero no convección. Sin embargo, un




sólido puede presentar transferencia de calor por convección y/o radiación en sus

superficies expuestas a un fluido o a otras superficies. Por ejemplo, las superficies

exteriores de un trozo frío de roca se calentarán en un medio ambiente más

caliente, como resultado de la ganancia de calor por convección (del aire) y la

radiación (del Sol o de las superficies circundantes más calientes). Pero las partes

interiores de la roca se calentarán a medida que el calor se transfiere hacia la

región interior de ella por conducción. La transferencia de calor es por conducción

y, posiblemente, por radiación en un fluido estático (sin movimiento masivo del

fluido) y por convección y radiación en un fluido que fluye. En ausencia de

radiación, la transferencia de calor a través de un fluido es por conducción o

convección, dependiendo de la presencia de algún movimiento masivo de ese

fluido. La convección se puede concebir como conducción y movimiento del fluido

combinado, y la conducción en un fluido se puede concebir como un caso

especial de convección en ausencia de algún movimiento de ese fluido (figura 6).

Fig. 6 Mecanismos de trans-ferencia de calor


Por tanto, cuando se trata con la transferencia de calor a través de un fluido, se

tiene conducción o convección, pero no las dos.




BIBLIOGRAFÍA CITADA

CENGEL, Yunus THERMODYNAMICS. AN ENGINEERING

APPROACH., 5ª Edición, Edit. McGraw Hill Book

Company, 2006

CENGEL, Yunus TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA, 4ª Edición,

Edit. McGraw Hill Book Company, 2006

BIBLIOGRAFÍA CITADA

RUFES, Pedro, y MIRANDA Ángel, CICLOS DE REFRIGERACION,

Editorial CEAC, 2004

Disponible en: http://laplace.us.e/F2_GIA/teoria/grupo1/tema_10.pdf

ARRANZ MERINO, Fernando, MANUAL DE TERMODINAMICA, Editorial

Vision Net, 2009

Disponible en: http://www.allaboutscience.org/spanish/segunda-ley-de-la-

termodinamica.htm


Trabajo de Investigacion de Termodinamica 3 Parcial

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