Física y Mecánica de las ConstruccionesETSAM

TEMA 3Transmisión del calor por conducción

y por convección

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3.1 Introducción

ENERGÍA de un sistema:

- ENERGÍA MECÁNICA

- ENERGÍA INTERNA U

FORMAS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA:

Trabajo y calor:

- no son funciones de estado

- función del proceso: formas transitorias de energía

3.1. Introducción

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OBJETIVO: ESTUDIO DE FORMAS BÁSICAS DE TRANSMISIÓN DEL CALOR

Conducción - Convección - Radiación

Intercambio de energía en forma de calor:

- diferencia de temperaturas

- Primer Principio de la Termodinámica: conservación de la energía

- Segundo Principio de la Termodinámica:

SISTEMA CALIENTE ⇒ SISTEMA FRÍO

3.1. Introducción

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¿POR QUÉ ES INTERESANTE ESTE ESTUDIO?

Diferentes condiciones térmicas en exterior e interior de una instalación

Transferencia de calor elevada: pérdida de eficiencia y alto coste energético

1) REDUCCIÓN CONSUMO ENERGÉTICO: adecuado aislamiento

2) CONFORT TÉRMICO EN UN ESPACIO: combinación temperatura y grado de humedad

3.1. Introducción

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- CONDUCCIÓN, CONVECCIÓN Y RADIACIÓN

- PROBLEMAS PRÁCTICOS: PRESENCIA DE LAS TRES, UNO PREDOMINA

3.2. Modalidades básicas de transmisión del calor

3.2. Modalidades básicas de transmisión del calor

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CONDUCCIÓN:

- intercambio de energía cinética: movimiento de electrones libres

- soporte material

3.2. Modalidades básicas de transmisión del calor

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CONVECCIÓN:

- transporte de energía por desplazamiento de las masas de fluido

- convección libre o natural: diferencia de temperaturas

- convección forzada: sistema mecánico (bomba o ventilador)

3.2. Modalidades básicas de transmisión del calor

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RADIACIÓN:

- radiación electromagnética emitida por los cuerpos en función de T

- reflexión, transmisión y absorción

- no exige medio de transporte (calor transferido por el sol)

3.2. Modalidades básicas de transmisión del calor

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Medios isótropos:

T1 T2

T T+dT

xTTkS

xTTkS

∆−

−=∆−

=Φ 1221

Fórmula empírica (Fourier):

K: conductividad térmica (W m-1 ºC-1)

⇒∆

=x

kC )( 21 ttCS −=Φ

C: conductancia térmica

Densidad de flujo térmico: xTTk

Sq

∆−

−=Φ

= 12

3.3. Transferencia de calor por conducción

3.3. Transferencia de calor por conducción

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Conductividad térmica:

K: facilidad de transmisión de calor por conducción de una sustancia

Dependiente de composición química, fase, presión y temperatura

3.3. Transferencia de calor por conducción

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Ejemplos (régimen estacionario)1. Pared plana con temperaturas de contorno conocidas

T1

T2

02

2=

dxTd

´0)( CCxTCdxdT

dxdT

dxd

+=⇒=⇒=

0=x 1TT =

ax = 2TT =1´ TC =

aTT

C)( 12 −=

xa

TTTT 21

1−

−=

02

2

2

2

2

2=

∂∂

+∂∂

+∂∂

zT

yT

xT

3.3. Transferencia de calor por conducción

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1. Pared plana con temperaturas de contorno conocidas

T1

T2

térmicax R

TTkSaTT

aTTkS 212121

)/(−

=−

=−

=Φ

kSaR =

Resistencia térmica del muro:

LEY DE OHM DE LA CONDUCCIÓN TÉRMICA

1.3. Transferencia de calor por conducción

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2. Pared de capas múltiples con temperaturas de contorno conocidas

T1 T2

T4T3

3

433

2

322

1

211 x

TTSk

xTT

SkxTTSk

∆−

=∆−

=∆−

=Φ

3

343 k

xS

TT∆Φ

=−2

232 k

xS

TT∆Φ

=−1

121 k

xS

TT∆Φ

=−

1.3. Transferencia de calor por conducción

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2. Pared de capas múltiples con temperaturas de contorno conocidas

T1 T2

T4T3

321

41

3

3

2

2

1

1

41

3

3

2

2

1

1

41 )(

)(

)(

)(

)(RRR

TT

Skx

Skx

Skx

TT

kx

kx

kx

TTS++

−=

∆+

∆+

∆−

=∆

+∆

+∆

−=Φ

A partir de Φ podemos determinar T2 y T3 ⇒ distribución de temperaturas

3.3. Transferencia de calor por conducción

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3.4. Transmisión del calor por convección

3.4. Transmisión del calor por convección

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CAPA LÍMITE TÉRMICA: región en la que temperatura del fluido ha alcanzado una cierta fracción de Tf (zona T uniforme)

3.4. Transmisión del calor por convección

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)( fS TThSzTkS −=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∆∆

=ΦLey de enfriamiento de Newton:

Coeficiente de convección, de película, de conductancia térmica unitaria:

zkh∆

=

3.4. Transmisión del calor por convección

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EJEMPLOS:

1. Pared plana constituida por dos capas sólida y limitada por fluidos convectivos

)( 2112 TTSh −=Φ

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

∆+

∆−

=Φ

34

34

23

23

42

kx

kx

TTS

)( 5445 TTSh −=Φ

Datos: T1 y T5

3.4. Transmisión del calor por convección

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1. Pared plana constituida por dos capas sólida y limitada por fluidos convectivos

1221 Sh

TT Φ=−

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ ∆+

∆Φ=−

34

34

23

2342 Sk

xSk

xTT

4554 Sh

TT Φ=−

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+∆

+∆

+

−=Φ

4534

34

23

23

12

5111

ShSkx

Skx

Sh

TT⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+++

−=Φ

convterterconv RRRRTT

45342312

51

3.4. Transmisión del calor por convección

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1. Pared plana constituida por dos capas sólida y limitada por fluidos convectivos

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+∆

+∆

+

−=

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+∆

+∆

+

−=Φ

4534

34

23

23

12

51

4534

34

23

23

12

511111

hkx

kx

h

TTS

ShSkx

Skx

Sh

TT

)( 51 TTSU −=Φ

4534

34

23

23

12

111hk

xkx

hU+

∆+

∆+=

TRANSMISIÓN GLOBAL O TRANSMITANCIA

3.4. Transmisión del calor por convección