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Transmisión de calor por conducción Transmisión de calor por convección Conducción y convección combinadas Transmisión de calor por radiación Mecanismos de Transmisión del Calor Transmisión de calor (2º GIPQI) Dr. Eugenio Fernández Carrasco Departamento de Ingeniería Química Facultad de Ciencias (Lugo) [email protected] 29 de enero de 2012 Dr. Eugenio Fernández Carrasco Mecanismos de Transmisión del Calor

Mecanismos de transmisión del calor

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Mecanismos de transmisión del calor. Tema 1 del temario de la asignatura Transmisión de Calor del Grado en Ingeniería de Procesos Químicos Industriales (USC)

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  • 1. Transmisin de calor por conduccin Transmisin de calor por conveccinConduccin y conveccin combinadas Transmisin de calor por radiacin Mecanismos de Transmisin del Calor Transmisin de calor (2 GIPQI) Dr. Eugenio Fernndez Carrasco Departamento de Ingeniera QumicaFacultad de Ciencias (Lugo)[email protected] de enero de 2012Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor

2. Transmisin de calor por conduccin Transmisin de calor por conveccinConduccin y conveccin combinadas Transmisin de calor por radiacinndice1 Transmisin de calor por conduccin2 Transmisin de calor por conveccin3 Conduccin y conveccin combinadas4 Transmisin de calor por radiacinConceptos bsicosLeyes de la radiacin trmicaRadiacin entre supercies negrasRadiacin entre supercies grisesRadiacin en gases absorbentesDr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 3. Transmisin de calor por conduccin Transmisin de calor por conveccinConduccin y conveccin combinadas Transmisin de calor por radiacinMecanismos de transmisin del calorConduccin: Transmisin de calor entre dos cuerpos encontacto o entre dos partes de un mismo cuerpo a distintatemperatura. La transmisin se desarrolla a escala moleculardesde las molculas de mayor energa interna hasta las demenor energa.Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 4. Transmisin de calor por conduccin Transmisin de calor por conveccinConduccin y conveccin combinadas Transmisin de calor por radiacinMecanismos de transmisin del calorConduccin: Transmisin de calor entre dos cuerpos encontacto o entre dos partes de un mismo cuerpo a distintatemperatura. La transmisin se desarrolla a escala moleculardesde las molculas de mayor energa interna hasta las demenor energa.Conveccin: Transmisin de calor que se desarrolla condesplazamientos y mezcla de porciones del uido con distintatemperatura.Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 5. Transmisin de calor por conduccin Transmisin de calor por conveccinConduccin y conveccin combinadas Transmisin de calor por radiacinMecanismos de transmisin del calorConduccin: Transmisin de calor entre dos cuerpos encontacto o entre dos partes de un mismo cuerpo a distintatemperatura. La transmisin se desarrolla a escala moleculardesde las molculas de mayor energa interna hasta las demenor energa.Conveccin: Transmisin de calor que se desarrolla condesplazamientos y mezcla de porciones del uido con distintatemperatura.Radiacin: Transmisin de energa a travs del espacio pormedio de ondas electromagnticas.Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 6. Transmisin de calor por conduccinTransmisin de calor por conveccin Conduccin y conveccin combinadasTransmisin de calor por radiacinConduccin unidimensionalLa relacin bsica del ujo de calor por conduccin, denominadaLey de Fourier, es la proporcionalidad existente entre la velocidadde ujo de calor a travs de una supercie isotrmica y el gradientede temperatura existente en dicha supercie:dQT = kdAx Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 7. Transmisin de calor por conduccinTransmisin de calor por conveccin Conduccin y conveccin combinadasTransmisin de calor por radiacinFigura 1. Distribucin de temperatura durante el calentamiento noestacionario de la pared de un horno: I) en el instante en el que lapared se expone a la temperatura elevada; II) al cabo del tiempo testacionario; III) en estado estacionario Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 8. Transmisin de calor por conduccinTransmisin de calor por conveccin Conduccin y conveccin combinadasTransmisin de calor por radiacinFlujo estacionario unidimensionalPara el ujo estacionario unidimensional la Ley de Fourier puedeescribirse como: Q dTq= = k A dx Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 9. Transmisin de calor por conduccinTransmisin de calor por conveccin Conduccin y conveccin combinadasTransmisin de calor por radiacinFlujo estacionario unidimensionalPara el ujo estacionario unidimensional la Ley de Fourier puedeescribirse como: Q dTq= = k A dxClculo del rea para diferentes geometrasGeometra rectangular: AGeometra cilndrica: Am,ln = (A2 A1 ) / ln (A2 /A1 )Geometra esfrica: Am,g = A1 A2 Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 10. Transmisin de calor por conduccin Transmisin de calor por conveccinConduccin y conveccin combinadas Transmisin de calor por radiacinResistencias trmicas en serie TATB TC TtotalQ= xA=xB= xC=3xi kA AkB A kC Ai =1 ki ADr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 11. Transmisin de calor por conduccinTransmisin de calor por conveccin Conduccin y conveccin combinadasTransmisin de calor por radiacinConduccin multidimensionalCuando hay transmisin de calor en las tres direcciones, laecuacin general que dene dicho transporte es la siguiente: T 2T2T2T 2 cP=k 2 +2++ Qv = k T + Qv t x y z 2 Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 12. Transmisin de calor por conduccinTransmisin de calor por conveccin Conduccin y conveccin combinadasTransmisin de calor por radiacinConduccin multidimensionalCuando hay transmisin de calor en las tres direcciones, laecuacin general que dene dicho transporte es la siguiente: T 2T2T2T 2 cP=k 2 +2++ Qv = k T + Qv t x y z 2Suponiendo que no hay generacin de calor, y que operamosen estado estacionario, se puede comprobar que: Q = k ( T ) A Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 13. Transmisin de calor por conduccin Transmisin de calor por conveccinConduccin y conveccin combinadas Transmisin de calor por radiacinFigura 2. Transmisin de calor por conveccinDr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 14. Transmisin de calor por conduccinTransmisin de calor por conveccin Conduccin y conveccin combinadasTransmisin de calor por radiacinTransmisin de calor por conveccinPara expresar de forma global el efecto de la conveccin, seutiliza la ecuacin que expresa el ujo de calor, Q, en funcindel gradiente de temperatura global: Q = hA (T0 T )ecuacin conocida como Ley de enfriamiento de Newton. Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 15. Transmisin de calor por conduccinTransmisin de calor por conveccin Conduccin y conveccin combinadasTransmisin de calor por radiacinTransmisin de calor por conveccinPara expresar de forma global el efecto de la conveccin, seutiliza la ecuacin que expresa el ujo de calor, Q, en funcindel gradiente de temperatura global: Q = hA (T0 T )ecuacin conocida como Ley de enfriamiento de Newton.El coeciente h no depende slo de las propiedades fsicas sinotambin de la geometra del sistema. Esto implica que encontadas ocasiones puede determinarse analticamente(geometras sencillas, rgimen laminar del uido, etc.) o poranalogas con otros fenmenos de transporte. Generalmentedebemos acudir a la experimentacin. Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 16. Transmisin de calor por conduccin Transmisin de calor por conveccinConduccin y conveccin combinadas Transmisin de calor por radiacinAsociacin de paredes planasTi T1 T1 T2T2 T3T3 Te Q=1 = xA= xB=1hi A kA A kB Ahe ATi Te Q=1UADr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 17. Transmisin de calor por conduccinTransmisin de calor por conveccin Conduccin y conveccin combinadasTransmisin de calor por radiacinClculo del coeciente integral de transmisin de calorSe puede calcular teniendo en cuenta la analoga con la Ley deOhm, que nos dice que la resistencia global es la suma de lasresistencias en serie individuales: Rglobal = Rindividuales 11 xA xB1 =+++UA hi A kA A kB A he A Dr. Eugenio Fernndez Carrasco Mecanismos de Transmisin del Calor 18. Transmisin de calor por conduccinTransmisin de calor por conveccin Conduccin y conveccin combinadasTransmisin de calor por radiacinClculo del coeciente integral de transmisin de calorSe puede calcular teniendo en cuenta la analoga con la Ley deOhm, que nos dice que la resistencia global es la suma de lasresistencias en serie individuales: Rglobal = Rindividuales 11 xA xB1 =+++UA hi A kA A kB A he ADe este modo, la ecuacin de transmisin de calor cuando hayvarias resistencias en serie queda como:Q = UATtotal Dr. Eugenio Fernndez Carrasco Mecanismos de Transmisin del Calor 19. Transmisin de calor por conduccin Transmisin de calor por conveccinConduccin y conveccin combinadas Transmisin de calor por radiacinAsociacin de paredes cilndricas Ti T1T1 T2 T2 T3T3 Te Ti Te Q= 1= rA = rB = 1 =1hi A1kA Am,ln A kB Am,ln B he A3 UA1 1rArB 1=++ + UA hi A1 kA Am,ln A kB Am,ln B he A3Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 20. Transmisin de calor por conduccinConceptos bsicosTransmisin de calor por conveccinLeyes de la radiacin trmica Conduccin y conveccin combinadasRadiacin entre supercies negrasTransmisin de calor por radiacin Radiacin en gases absorbentesConceptos bsicosCuerpo negro: Se denomina as al cuerpo que absorbe toda laenerga que incide sobre l. No reeja ni transmite nada( = 1). Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 21. Transmisin de calor por conduccinConceptos bsicosTransmisin de calor por conveccinLeyes de la radiacin trmica Conduccin y conveccin combinadasRadiacin entre supercies negrasTransmisin de calor por radiacin Radiacin en gases absorbentesConceptos bsicosCuerpo negro: Se denomina as al cuerpo que absorbe toda laenerga que incide sobre l. No reeja ni transmite nada( = 1).Cuerpo opaco: Se dene como cuerpo opaco aquel cuyatransmitancia es cero ( + = 1). Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 22. Transmisin de calor por conduccinConceptos bsicosTransmisin de calor por conveccinLeyes de la radiacin trmica Conduccin y conveccin combinadasRadiacin entre supercies negrasTransmisin de calor por radiacin Radiacin en gases absorbentesConceptos bsicosCuerpo negro: Se denomina as al cuerpo que absorbe toda laenerga que incide sobre l. No reeja ni transmite nada( = 1).Cuerpo opaco: Se dene como cuerpo opaco aquel cuyatransmitancia es cero ( + = 1).Poder emisor o poder radiante: Es la cantidad de energaradiada por unidad de tiempo y unidad de supercie. Paratodo el espectro de radiacin desde una supercie, el poderradiante total, W , es la suma de todas las radiacionesmonocromticas que salen de la supercie, es decir: W = W d 0 Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 23. Transmisin de calor por conduccinConceptos bsicosTransmisin de calor por conveccinLeyes de la radiacin trmica Conduccin y conveccin combinadasRadiacin entre supercies negrasTransmisin de calor por radiacin Radiacin en gases absorbentesConceptos bsicos (cont.)Emisividad: La relacin entre el poder emisor total, W , de uncuerpo y el de un cuerpo negro a la misma temperatura, Wb ,es, por denicin, la emisividad del cuerpo:W =Wby la emisividad monocromtica:W =Wb, Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 24. Transmisin de calor por conduccinConceptos bsicosTransmisin de calor por conveccinLeyes de la radiacin trmica Conduccin y conveccin combinadasRadiacin entre supercies negrasTransmisin de calor por radiacin Radiacin en gases absorbentesConceptos bsicos (cont.)Emisividad: La relacin entre el poder emisor total, W , de uncuerpo y el de un cuerpo negro a la misma temperatura, Wb ,es, por denicin, la emisividad del cuerpo:W =Wby la emisividad monocromtica:W =Wb,Cuerpo gris: Es aquel cuya emisividad monocromtica es lamisma para todas las longitudes de onda. Por lo tanto, para uncuerpo gris, y son constantes para todas las temperaturas. Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 25. Transmisin de calor por conduccinConceptos bsicosTransmisin de calor por conveccinLeyes de la radiacin trmica Conduccin y conveccin combinadasRadiacin entre supercies negrasTransmisin de calor por radiacin Radiacin en gases absorbentesLeyes de la radiacin trmicaLey de Stefan-Boltzmann:Wb = T 4 = 5, 672 108 W/m2 K4 Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 26. Transmisin de calor por conduccinConceptos bsicosTransmisin de calor por conveccinLeyes de la radiacin trmica Conduccin y conveccin combinadasRadiacin entre supercies negrasTransmisin de calor por radiacin Radiacin en gases absorbentesLeyes de la radiacin trmicaLey de Stefan-Boltzmann:Wb = T 4 = 5, 672 108 W/m2 K4Ley de Kirchho:W1 W2 =1 2 Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 27. Transmisin de calor por conduccinConceptos bsicos Transmisin de calor por conveccinLeyes de la radiacin trmicaConduccin y conveccin combinadasRadiacin entre supercies negras Transmisin de calor por radiacin Radiacin en gases absorbentesRadiacin entre supercies negras 44Q12 = AF T1 T2Dr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 28. Transmisin de calor por conduccinConceptos bsicos Transmisin de calor por conveccinLeyes de la radiacin trmicaConduccin y conveccin combinadasRadiacin entre supercies negras Transmisin de calor por radiacin Radiacin en gases absorbentesFigura 7. Emisividad del dixido de carbono para una presin total de 1 atmDr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor 29. Transmisin de calor por conduccinConceptos bsicos Transmisin de calor por conveccinLeyes de la radiacin trmicaConduccin y conveccin combinadasRadiacin entre supercies negras Transmisin de calor por radiacin Radiacin en gases absorbentesFigura 8. Factor de correccin CC para convertir la emisividad delCO2 a 1 atm de presin total en emisividad a P atmDr. Eugenio Fernndez CarrascoMecanismos de Transmisin del Calor