Transferencia de calor Resumen Introduccin Definicin Tipos de transferencia de calor Transferencia de calor por radiacin Transferencia de calor por radian en un horno elctrico de arco

Resumen

La transferencia de calor -la radiacin trmica. La radiacin trmica es la radiacin electromagntica emitida por un cuerpo como resultado de su temperatura. Primero se describir la naturaleza de la radiacin trmica, sus caractersticas, y las propiedades que se utilizan para describir los materiales desde el punto de vista de la radiacin.

Introduccin Se denomina radiacin trmica o radiacin calorfica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos emiten radiacin electromagntica, siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada. En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacin relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 0,1m a 100m, abarcando por tanto parte de la regin ultravioleta, la visible y la infrarroja del espectro electromagntico.La materia en un estado condensado (slido o lquido) emite un espectro de radiacin continuo. La frecuencia de onda emitida por radiacin trmica es una densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura.Los cuerpos negros emiten radiacin trmica con el mismo espectro correspondiente a su temperatura, independientemente de los detalles de su composicin. Para el caso de un cuerpo negro, la funcin de densidad de probabilidad de la frecuencia de onda emitida est dada por la ley de radiacin trmica de Planck, la ley de Wien da la frecuencia de radiacin emitida ms probable y la ley de Stefan-Boltzmann da el total de energa emitida por unidad de tiempo y superficie emisora (esta energa depende de la cuarta potencia de la temperatura absoluta).A temperatura ambiente, vemos los cuerpos por la luz que reflejan, dado que por s mismos no emiten luz. Si no se hace incidir luz sobre ellos, si no se los ilumina, no podemos verlos. A temperaturas ms altas, vemos los cuerpos debido a la luz que emiten, pues en este caso son luminosos por s mismos. As, es posible determinar la temperatura de un cuerpo de acuerdo a su color, pues un cuerpo que es capaz de emitir luz se encuentra a altas temperaturas.La relacin entre la temperatura de un cuerpo y el espectro de frecuencias de su radiacin emitida se utiliza en los pirmetros.

Definicin La transferencia de calor es el paso de energa trmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto slido o un fluido, est a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de energa trmica, tambin conocida como transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio trmico. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo ms caliente a uno ms fro, como resultado de la segunda ley de la termodinmica. 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 ms lenta. Modos de transferenciaLos modos de transferencia son diferentes procesos de transporte de calor, usualmente se agrupan en tres tipos segn haya tambin transferencia o no transferencia de materia (o fotones) como los siguientes :Conduccin: Es la transferencia de calor que se produce a travs de un medio estacionario -que puede ser un slido- cuando existe una diferencia de temperatura.Conveccin: La conveccin es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (lquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La conveccin se produce nicamente por medio de materiales fluidos. Lo que se llama conveccin en s, es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido, por ejemplo: al trasegar el fluido por medio de bombas o al calentar agua en una cacerola, la que est en contacto con la parte de abajo de la cacerola se mueve hacia arriba, mientras que el agua que est en la superficie, desciende, ocupando el lugar que dej la cacerola caliente.Radiacin: se puede atribuir a cambios en las configuraciones electrnicas de los tomos o molculas constitutivas. En ausencia de un medio, existe una transferencia neta de calor por radiacin entre dos superficies a diferentes temperaturas, debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energa en forma de ondas electromagnticas.

Transferencia de calor por radiacin Tipos: radiacin de radio radiacin de microondas radiacin infrarroja radiacin visible radiacin ultravioleta radiacin X radiacin gamma (es la que emite ms energa y la ms peligrosa) La aplicacin de la Ley de Planck a la Tierra con una temperatura superficial de unos 288 K (15 C) nos lleva a que el 99% de la radiacin emitida est entre las longitudes de onda 3 \mu m (micrmetros o micras) y 80 micras y su mximo ocurre a 10 micras. La estratosfera de la Tierra con una temperatura entre 210 y 220 K radia entre 4 y 120 micras con un mximo a las 14,5 micras. Por tanto la Tierra slo emite radiacin infrarroja o trmica.

Horno elctrico de arco Refractarios:Los refractarios basados en el sistema slice-almina ms utilizados son: Ladrillos y masas dolomiticos, basados en la doloma(40 por 100 MgO), producto natural muy abundante en europa. Ladrillos de magnesita- cromita (40-70 por 100 MgO, 7-20 por 100 Cr2O3 ) Ladrillos y masas de alto contenido de MgO con ligante qumico, a base de alquitran o de grafito. Ladrillos de magnesita carbono (MgO-C) con lignates resinosos y hasta el 35 por 100 de grafito.

Paredes de contacto con el metal La capa interior La capa intermedia La capa prxima

La capa interior (1), en contacto con el metal fundido, de ladrillos de 80-85 por 100 Al2O3 , de base bauxita, realizndose las reparaciones por proyeccin de masas de 95 por 100 Al2O3 de base corindn o por apisonado de material semejante.La capa intermedia o de seguridad (2), con ladrillos de 35-40 por 100 Al2O3 o con masas seca de 40 -45 por 100 Al2O3 , ligada con resina.La capa prxima a la calderera (3), de ladrillos aislantes de 600-900 Kg/m3 para reducir la perdida de calor.Un revestimiento de acero austenitico, con manganeso 10.44 Mecanismo FsicoExisten muchos tipos de radiacin electromagntica; la radiacin trmica es solo uno de ellos. Independientemente del tipo de radiacin, se dice que sta se propaga a la velocidad de la luz, 3 x 10 mis. Esta velocidad es igual al producto de la longitud de onda por la frecuencia de la radiacinc = donde:c = velocidad de la luz = longitud de onda = frecuenciaLas unidades de n pueden ser centmetros, angstroms (1 A = lo- * cm), o micras (1 Pm = lOe6 m). En la Figura 8.1 se muestra una parte del espectro electromagntico.

La radiacin trmica se encuentra en el intervalo que va desde 0,l Pm aproximadamente, hasta 100 ,um, mientras que la porcin de luz visible del espectro es muy estrecha, extendindose desde 0,35 Pm aproximadamente, hasta 0,75 Pm.La propagacin de la radiacin trmica tiene lugar en forma de cuantos discretos, teniendo cada cuanto una energa de donde h es la constante de Planck y tiene un valor deh = 6,625 x 1O-34 J.s Se puede obtener una imagen fsica muy grosera de la propagacin de la radiacin, considerando a cada cuanto como una partcula que tiene energa, masa y cantidad de movimiento, justo como se considera a las molculas de un gas. As, en cierto sentido, se podra pensar en la radiacin como un gas de fotones que puede fluir de un lugar a otro.Utilizando la relacin relativista entre masa y energa, se podran obtener as las expresiones para la masa y la cantidad de movimiento de las partculas; es decir

Considerando la radiacin como un gas, se pueden aplicar los principios de la termodinmica estadstica-cuntica para obtener una expresin de la densidad de energa de radiacin por unidad de volumen y por unidad de longitud de onda como

donde k es la constante de Boltzmann, 1,38066 x 1Op23 J/molcula. K. Cuando se integra la densidad de energa para todas las longitudes de onda, la energa total emitida es proporcional a la temperatura absoluta elevada a la cuarta potencia (8.3)recibe el nombre de ley de Stefan-Boltzmann, E, es la energa radiada por unidad de tiempo y por unidad de rea por el radiador ideal, y G es la constante de Stefan-Boltzmann, cuyo valor es = 5,669 x 10 -8 W/m2.K4 [0,1714 x 10-8 Btu/h.ft2.R4]donde E, est en vatios por metro cuadrado y Ten kelvin. En el anlisis termodinmico, la densidad de energa est relacionada con la energa radiada desde una superficie por unidad de tiempo y por unidad de rea.As, la superficie interior caliente de una cavidad, origina una determinada densidad de radiacin trmica en la cavidad. Aqu interesa el intercambio de radiacin entre superficies de ah la razn de la expresin de la radiacin desde una superficie en funcin de su temperatura. El subndice h en la Ec. (8.3) denota que es la radiacin de un cuerpo negro.Se le llama radiacin del cuerpo negro porque los materiales que obedecen esta ley parecen negros a la vista; parecen negros porque no reflejan ninguna radiacin. As, tambin se considera cuerpo negro a aquel que absorbe toda la radiacin que incide sobre l. A E, se le llama poder emisor de un cuerpo negro.En este punto, es importante destacar que la negrura de una superficie frente a la radiacin trmica puede resultar bastante decepcionante, en cuanto a las observaciones visuales se refiere. Una superficie recubierta con negro de humo aparece negra a la vista y resulta que es negra en el espectro de la radiacin trmica. Por otra parte, la nieve y el hielo se muestran bastante brillantes a la vista, pero son prcticamente negras para la radiacin trmica a grandes longitudes de onda. Muchas pinturas blancas son tambin prcticamente negras para la radiacin a longitudes de onda grandes. Perdidas trmicas y elctricas Las prdidas por conduccin a travs del revestimiento de la solera y del refractario en el centro de la bveda, que pasan al ambiente por conveccin y radiacin Las prdidas por apertura de bveda, durante la carga de la chatarra en cestas Las prdidas por radiacin a travs de la puerta durante el desescoriado y reparacin del refractario entre coladas.

a) Perdidas por la solera (radiacin)Dependen del espesor y de la conductividad trmica media del material refractario. Las prdidas

b) Perdidas por el refractario de bveda El sistema de clculo es semejante. La temperatura media de la superficie interio ser inferior a 1650C (se toma 1500C)

Donde: