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1 MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ¿Qué se entiende por transferencia de calor? La transferencia de calor es el transporte o transferencia de energía ocasionada por una diferencia de temperatura. Es decir, siempre que exista una diferencia de temperatura entre dos puntos u objetos, se generará una transferencia de calor. En esta clase se introducirán los distintos modos de transferencia de calor, ya que, como ingenieros, debemos entender como se transfiere la energía. Esto nos permitirá conocer las ecuaciones básicas que describen cada modo o mecanismo para la transferencia de calor. Dra. Larrondo - Ing. Grosso 2° cuatrimestre de 2015

8-Mecanismos de Transf de Calor

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Mecanismos de Transf de Calor

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Page 1: 8-Mecanismos de Transf de Calor

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

¿Qué se entiende por transferencia de calor?

La transferencia de calor es el transporte o transferencia de energía ocasionada por una diferencia de temperatura. Es decir, siempre que exista una diferencia de temperatura entre dos puntos u objetos, se generará una transferencia de calor.

En esta clase se introducirán los distintos modos de transferencia de calor, ya que, como ingenieros, debemos entender como se transfiere la energía.

Esto nos permitirá conocer las ecuaciones básicas que describen cada modo o mecanismo para la transferencia de calor.

Dra. Larrondo - Ing. Grosso 2° cuatrimestre de 2015

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Existen tres mecanismos básicos de transferencia de calor:

• Conducción

• Convección

• Radiación

Todos los procesos de transferencia de energía involucran a una o más de estas formas.

Por esto, es importante entender estos mecanismos de transferencia de energía y las ecuaciones básicas que los describen.

Al diseñar un equipo que intercambiará calor se debe cuantificar el aporte de cada uno de estos mecanismos de transferencia de energía, de modo de obtener una solución que satisfaga las necesidades del proceso.

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Conducción

Dra. Larrondo - Ing. Grosso

Cuando en un sistema sólido, líquido o gaseoso, existe una diferencia de temperaturas en una determinada dirección, las moléculas o átomos más calientes, pueden transmitir su energía a sus vecinas más frías.

2° cuatrimestre de 2015

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Conducción

La transmisión de la energía por este mecanismo puede darse por dos fenómenos

Interacción molecular Electrones libres Una molécula en un estado de energía mayor le transfiere energía a las moléculas adyacentes que se encuentran en un nivel menor de energía.

Cuando en un sistema sólido, líquido o gaseoso, existe una diferencia de temperaturas en una determinada dirección, las moléculas o átomos más calientes, pueden transmitir su energía a sus vecinas más frías.

Este fenómeno tiene lugar principalmente en sólidos metálicos puros.

Dra. Larrondo - Ing. Grosso 2° cuatrimestre de 2015

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Conducción Cuando en un sistema sólido, líquido o gaseoso, existe una diferencia de temperaturas en una determinada dirección, las moléculas o átomos más calientes, pueden transmitir su energía a sus vecinas más frías.

Independientemente del fenómeno involucrado en la conducción, el flujo de calor Q en la dirección x se expresará como:

dx

dTAkQx

Dra. Larrondo - Ing. Grosso

HWA

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Conducción Esta ecuación fue establecida por Fourier en 1822:

dx

dTAkQx

dx

dT

A

k

QxRapidez de transferencia de calor en la dirección x

Conductividad Térmica

Área normal a la dirección del flujo de calor

Gradiente de temperatura en la dirección x

Dra. Larrondo - Ing. Grosso

Page 7: 8-Mecanismos de Transf de Calor

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Conducción En un medio isotrópico en el que la temperatura varia en las tres direcciones, puede escribirse la misma ecuación para cada coordenada:

Tkq

dx

dTAkQx

Entonces, la expresión vectorial correspondiente para el flujo de calor por conducción es:

Ley de Fourier

dy

dTAkQy

dz

dTAkQz

Dra. Larrondo - Ing. Grosso 2° cuatrimestre de 2015

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Conducción Unidades y dimensiones de la Ley de Fourier:

2LongitudTiempo

Energíaq

A

Qq

Longitud

aTemperaturT

aTemperaturLongitudTiempo

Energía

T

qk

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Conducción Unidades y dimensiones de la Ley de Fourier:

Sistema

Internacional

Sistema

Técnico

Sistema

Inglés

q W/m2 Kcal/h·m2 Btu/h·ft2

T K/m K/m °F/ft

k W/m·K Kcal/h·m·K Btu/h·ft·°F

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Conducción Propiedades de la Conductividad Térmica:

• Para que exista conducción es necesaria la presencia de materia

• La conductividad térmica es una propiedad del medio conductor

• A nivel microscópico, la conductividad térmica se caracteriza mediante diferentes modelos según se trate de gases, líquidos o sólidos

• Es principalmente una función de la temperatura

• Sólo varía apreciablemente con la presión en el caso de gases sometidos a altas presiones.

Dra. Larrondo - Ing. Grosso 2° cuatrimestre de 2015

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Conducción Conductividad Térmica de varios materiales en función de la temperatura:

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Conducción Conductividad Térmica de varios materiales en función de la temperatura:

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Convección Este mecanismo se relaciona con la transferencia de energía entre una superficie y un fluido adyacente en movimiento.

Transferencia de energía

Movimiento molecular aleatorio

Movimiento global o macroscópico de fluido

+

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Convección

Transferencia molecular

Transporte global o macroscópico

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Convección

El flujo de calor a través de la interfase será función de:

El área de la interfase

La diferencia de temperaturas entre el fluido y la superficie (ΔT = Tw - T)

TAQy

El factor de proporcionalidad se lo denomina Coeficiente de Transferencia de Calor por Convección o Coeficiente Pelicular h.

TAhQy Ley de Newton del enfriamiento (1701)

A

Qq

y

y Thq

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Convección

El coeficiente Pelicular será función de:

La Geometría del Sistema

Las propiedades del fluido

Régimen de flujo (origen del movimiento del fluido)

Determinación del Coeficiente Pelicular, h:

El origen del movimiento determina dos posibles mecanismos de transferencia de calor por convección:

• Convección Forzada

• Convección Natural

Los fenómenos de ebullición y condensación difieren de estos dos tipos de convección, pero se los trata con la misma ley.

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Convección Unidades y dimensiones de la Ley de Newton del enfriamiento:

2LongitudTiempo

Energíaq

A

Qq

aTemperaturT

aTemperaturLongitudTiempo

Energía

T

qh

2

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Convección Unidades y dimensiones de la Ley de Newton del enfriamiento:

Sistema

Internacional

Sistema

Técnico

Sistema

Inglés

q W/m2 Kcal/h·m2 Btu/h·ft2

ΔT K K °F

h W/m2·K Kcal/h·m2·K Btu/h·ft2·°F

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Convección Valores aproximados del Coeficiente Pelicular:

Mecanismo Kcal/h·m2·K W/m2·K

Convección libre en aire 1 - 10 5 - 50

Convección forzada en aire 5 - 50 25 - 250

Convección forzada en agua 50 - 3000 250 - 15000

Agua en ebullición 500 - 5000 2500 - 25000

Vapor de agua condensando 1000 - 20000 5000 - 100000

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Radiación “La radiación térmica es la energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura finita”

Este mecanismo de transferencia de energía difiere de la conducción y de la convección en el hecho de que no requiere ningún medio para su propagación.

La transferencia es máxima en un vacío perfecto.

Este mecanismo de transferencia de calor es muy complejo y originalmente se presentaron distintas de teorías para representarlo:

• Carácter Ondulatorio

• Carácter Corpuscular

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Radiación La radiación esta caracterizada por las propiedades estándar de una onda:

• Frecuencia (ν) • Longitud de onda (λ)

Radiación Térmica (0,1 100 µm)

c

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Todo cuerpo a T > 0 K emite energía en forma de radiación electromagnética de acuerdo con la temperatura que posean

En las aplicaciones ingenieriles son importantes los procesos de radiación térmica en sólidos (fenómeno superficial)

Una superficie emite radiación de diferentes longitudes de onda (composición espectral) y, en forma preferencial, en determinadas direcciones (direccionalidad).

La radiación incidente en un sistema producirá que los átomos o moléculas de éste vayan de un estado de menor energía a uno de mayor energía.

Emisión de radiación térmica

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Ocurre cuando la radiación incidente en un sistema causa que los átomos o moléculas de este sistema vayan de un estado de menor energía hacia uno de mayor energía.

Absorción de radiación térmica

Radiación Incidente

Radiación Transmitida

Radiación Abs o r bida

Radiación Reflejada

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Absorción de radiación térmica

Radiación Incidente

a absorbanci a

cia tan reflec r

transmitancia t

1 tar

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Absorción de radiación térmica

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1 tar

En los sólidos la transmitancia es nula, por lo tanto se cumple:

0t 1ar

Un cuerpo absorbente ideal se lo denomina “cuerpo negro” y para este tipo de cuerpos se cumple:

1a

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Dra. Larrondo - Ing. Grosso

Cuerpo negro

1. Un cuerpo negro absorbe toda la radiación incidente, sin importar la longitud de onda y la dirección.

2. Para una temperatura y longitud de onda establecidas, ninguna superficie puede emitir más energía que un cuerpo negro.

3. Aunque la radiación emitida por un cuerpo negro es una función de la longitud de onda y la temperatura, es independiente de la dirección. Es decir, el cuerpo negro es un emisor difuso.

El cuerpo negro servirá como un modelo contra el que se pueden comparar las propiedades radiativas de superficies reales.

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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Radiación Valores de absorbancia para distintos materiales:

Superficie α

Film de aluminio evaporado 0,09

Film de cuarzo fundido sobre aluminio 0,19

Ladrillo rojo 0,63

Nieve 0,28

Acero inoxidable 0,5

Hierro oxidado 0,74

Hierro pulido 0,052

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Radiación Térmica El flujo máximo al cual la radiación puede ser emitida desde la superficie está dado por la ley de Stefan-Boltzmann. Stefan propuso la ecuación en 1879 y Boltzmann dedujo esta relación en forma teórica en 1884:

4Tq

T

q Rapidez de transferencia de calor radiante

Temperatura absoluta

Constante de Stefan-Boltzmann

4242

88 10.1714,010.676,5Rfth

Btu

Km

W ó

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Radiación Térmica Este flujo máximo corresponde al radiador ideal o cuerpo negro.

Cualquier radiador real emitirá una fracción de este máximo.

4Tq

10 con

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Bibliografía recomendada

• Primer capítulo de “Fundamentos de Transferencia de Calor”, Segunda Edición, Incropera F.P. & De Witt D.P.

•Capítulo 15 de “Fundamentos de Transferencia de Momento, Calor y Masa”, Segunda Edición, Welty J.R., Wicks C.E. & Wilson R.E.

•Primer capítulo de “Transferencia de Calor”, Octava Edición, Holman J.P.

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