TECNOLOGIA APLICADA TEMA 2 Fundamentos del Transmisión del Calor

Procesos de transmisión del calor. Velocidad de transferencia. Conducción: mecanismo, ley de Fourier, conductibilidad térmica. Convección: mecanismo, gradiente de temperatura, coeficientes peliculares y globales. Radiación: espectro de ondas electromagnéticas, cuerpo negro, velocidad de transferencia. Intercambiadores de calor.

TECNOLOGIA APLICADA TEMA 2 Fundamentos del Transmisión del Calor

Badger, W. y J. Banchero, 1964.

Introducción a la Ingeniería Química, McGraw Hill, México. Capítulo 4.

McCabe, W., J. Smith y P. .Harriott, 1996. McGraw-Hill, México, 4º Edición. Capítulos 10 al 15. Perry, R. y D. Green, Editores, 1999.

Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, McGraw-Hill, Nueva York, USA, 7º Edición. Seccines 5 y 11.

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

CALOR Forma de la energía. Solo se manifiesta cuando se transfiere de un cuerpo a otro.

T1 Q

T1 > T2

TEMPERATURA Variable que indica el potencial energético de un cuerpo. Mide la posibilidad de transferir energía en forma de calor.

T2

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

En todos los procesos de transporte (flujo de calor, electricidad,movimiento de fluidos, etc) la cantidad de lo que fluye se relaciona directamente con la diferencia de potencial y en forma inversa con la resistencia.

Potencial Intensidad de Flujo = Resistencia ELECTRICIDAD

V i = R FLUJO DE FLUIDOS

ΔP F = R

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

FLUJO DE CALOR Vale la ley vista que relaciona el flujo con la diferencia de potencial

Potencial: diferencia de temperatura

⎛ ∂Q ⎞ Δ T Q = ⎜ ⎟ = R ⎝ ∂t ⎠ .

Flujo de calor: energía por unidad de tiempo

Resistencia: depende del mecanismo de transferencia de calor

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

CONDUCCIÓN FORMAS DE TRANSMISIÓN

CONVECCION

DEL CALOR

RADIACIÓN

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

CONDUCCIÓN

Forma simple de transferencia del calor que consiste en la comunicación directa de la energía molecular a través de una sustancia por medio de colisiones entre sus moléculas. La cantidad de calor que fluye a través de un cuerpo por conducción depende del tiempo, tiempo del área a través de la cual fluye, del gradiente de temperatura y de la clase de material (Ley de Fourier).

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

CONDUCCIÓN Ley de Fourier A

T1

.

Q

Gradiente de Temperatura

T2

⎛ ∂Q ⎞ ⎛ ∂T ⎞ Q=⎜ ⎟ = −kA⎜ ⎟= ⎝ ∂t ⎠ ⎝ ∂x ⎠ T1 − T2 = kA L .

T - Temperatura

T1

T2

Sección transversal

T x

x - Posición

L

Conductividad térmica

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

CONDUCCIÓN Conductividad La conductividad mide la capacidad de conducción del calor. Los gases tienen una conductividad muy pequeña. Igualmente, los líquidos son en general malos conductores. En el caso de los sólidos, la conductividad térmica varía de una forma extraordinaria, desde valores bajísimos, como en el caso de las fibras de amianto, hasta valores muy altos para el caso de los metales. Los materiales fibrosos, como el fieltro o el amianto, son muy malos conductores (buenos aislantes). aislantes M aterial a 0 ºC A ire

k – C on d u ctivid ad (K cal/h /m /ºC )

A gu a

0.476

H ierro

47.6

0.0208

.

T1 − T2 = L T1 − T2 T1 − T2 = = L Resistencia kA

Q = kA

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

CONDUCCIÓN Conductividad Conductividades térmicas de algunos materiales a temperatura ambiente. Material Vapor de agua Aire Agua líquida Mercurio Espuma de poliestireno Papel Vidrio Hielo Plomo Acero Aluminio Cobre

-1 -1 K k (W·m ·K ) 0.025 0.026 0.61 8.4 0.036 0.13 0.35-1.3 2.2 34 45 204 380

Malos conductores

El estado de agregación influye en forma notable Buenos conductores

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

CONVECCIÓN Es otra forma en la que se transmite la energía en forma de calor. Es la transferencia que se da por el movimiento de masas con mayor temperaturas que se ponen en contacto con otras de menor temperatura.

T2 T1 T1

T2

T2 T2 T1 T1

T2 T2

T1

T2 T2

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

CONVECCIÓN Básicamente el mecanismo de convección se basa en la creación de corrientes en el seno de un fluido, por lo que se distingue nítidamente de la conducción, que se puede dar en los fluidos y en los cuerpos rígidos, y de la radiación, que no requiere medio conductor. Las corrientes producidas en el seno del fluido reconocen dos orígenes: a) Efecto de la gravedad sobre zonas del fluido que tienen distintas densidades causadas por diferencias de temperatura entre las mismas [CONVECCIÓN NATURAL] b) Se generan por un elemento impulsor como bomba o ventilador [CONVECCIÓN FORZADA]

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

CONVECCIÓN CONVECCIÓN FORZADA

CONVECCIÓN NATURAL ¿Y ésta?

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

CONVECCIÓN Considérese la transferencia de calor desde una superficie sólida hacia un líquido. Hay una pared sólida y luego está la capa laminar que siempre está presente,, y en seguida la zona de turbulencia totalmente desarrollada, que domina en toda la masa del fluido. La mayor resistencia al paso del calor está en la capa laminar, laminar porque el sólido suele ser buen conductor del calor, y en régimen turbulento los torbellinos se encargan de transmitir eficazmente el calor mezclando totalmente el fluido cálido de las cercanías de la pared con el resto.

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

Coeficiente pelicular de transferencia por convección

CONVECCIÓN

⎛ ∂Q ⎞ Q=⎜ ⎟ = h A (TW − TF ) ⎝ ∂t ⎠ .

Sección a través de la que se transfiere el calor .

Q = h A (TW − TF ) = TW − TF TW − TF = = 1 Resistencia hA

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

CONVECCIÓN

TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONVECCIÓN Y CONDUCCIÓN COMBINADAS

Rara vez la convección se produce en forma pura, lo frecuente es que conducción y convección se produzcan simultáneamente.

⎛ ∂Q ⎞ Q=⎜ ⎟ = U A (TC − TF ) ⎝ ∂t ⎠ .

Coeficiente global de transferencia de calor Incluye los efectos de convección y de conducción en la pared

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

RADIACIÓN Se entiende por radiación a la energía que no requiere de ningún medio para su propagación. En este caso la energía que se propaga en forma de ondas electro magnéticas. T

T1

2

Q

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

RADIACIÓN La radiación electromagnética suele clasificarse en función de su longitud de onda. onda La radiación calórica emitida por cuerpos a baja temperatura (por ejemplo el cuerpo humano a 37 °C) corresponde a la zona infrarroja del espectro electro-magnético. A mayores temperaturas la radiación se hace visible, y con temperaturas altas la emisión se enriquece en una proporción creciente de ultravioleta. perso.wanadoo.es/ latinquasar

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

RADIACIÓN CUERPO NEGRO: es un cuerpo (ideal) que absorbe toda la radicación que incide sobre él. Tiene también la propiedad de emitir en todas las longitudes de onda del espectro. En la práctica se afecta a las superficies reales por un factor de corrección que mide la desviación de su comportamiento respecto de la idealidad representada por el cuerpo negro. A este factor se lo llama EMISIVIDAD.

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

RADIACIÓN LEY DE STEFAN-BOLTZMANN El físico alemán Max Planck dedujo la ecuación que permite calcular la intensidad de radiación emitida por un cuerpo a una longitud de onda λ . Esta ecuación describe exactamente el comportamiento real de los emisores, tal como se demostró experimentalmente. La ecuación de Planck es:

E = σ T4

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

RADIACIÓN

T2

T1

Evaluar la transferencia de calor por radiación es mucho más complicado que los fenómenos de conducción y convección. Un caso sencillo aquel en el que la superficie 2 intercepta toda la radiación emitida por la superficie 1.

Q

Temperaturas absolutas

Constante de Stefan-Boltzman

(

⎛ ∂Q ⎞ 4 4 Q=⎜ ⎟ = σ A 1 FE T1 − T2 ⎝ ∂t ⎠ .

Factor de emisividad que corrige el comportamiento de una superficie supuesta negra y la lleva a la situación real. Viene dado por la tabla siguiente. (Adimensional).

)

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

FORMAS DE TRANSMISIÓN DEL CALOR

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Un intercambiador de calor es un equipo que tiene por objeto transferir calor desde un fluido caliente hacia otro que se halla a menor temperatura a través de una superficie.

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Hay de diversos tipos. Una clase muy difundida es aquella en la que el fluido circula por tubos.

Estos son Intercambiadores de Doble Tubo

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Según como circulan los fluidos, los intercambiadores pueden ser: co-corriente contra corriente

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Hay muchas posibilidades respecto de la superficie de intercambio. Por ejemplo de: tubos y carcaza.

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Intercambiador de tubos y carcaza

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Intercambiador de placas

TECNOLOGIA APLICADA - TEMA 2

INTERCAMBIADORES DE CALOR Ecuación de Transferencia

El principio de conservación de la energía

CALOR ENTREGADO POR EL FLUIDO CALIENTE

CALOR ABSSORBIDO POR EL FLUIDO FRIO

Ecuación de transferencia de calor

CALOR ENTREGADO POR EL FLUIDO CALIENTE

U A (ΔΤ)Μ

Coeficiente global de transferencia de calor Incluye los efectos de convección y de conducción en la pared

Superficie de intercambio

CALOR PERDIDO (entregado al ambiente)

Diferencia media de temperaturas (fuerza impulsora)