ingeniería en energía energía y medio ambiente clase 1 · 2014-09-28 · materia. conducción es...
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1
Ingeniería en Energía
Agost 2014 - Clase 1 UNSAM - Energía - S.Gil 2
Ingeniería en Energía
Energía y Medio Ambiente 1
Clase 1ECyT - UNSAM
Docentes: Diana Mielnicki y Salvador Gil
ECyT -UNSAM
2014
Agost 2014 - Clase 1 UNSAM - Energía - S.Gil
Agost 2014 - Clase 1 UNSAM - Energía - S.Gil 3
Mecanismos de transferencia de Calor
� Conducción:
El calor fluye por un medio material
� Convección:
El calor fluye por un medio del movimiento del medio material (Fluido)
� Radiación:
El calor fluye por medio ondas electromagnéticas
Siempre el calor va del cuerpo caliente al frío
Agost 2014 - Clase 1 UNSAM - Energía - S.Gil 4
Conducción - Características
� Existe un medio material a través delcual se propaga el calor (barra)
� Se transmite el calor sin transportede materia (no se mueve nada, solofluye calor)
Agost 2014 - Clase 1 UNSAM - Energía - S.Gil 5
Convección
� Existe un medio material fluido a través del cual se propaga el calor
� La densidad del medio varía con la temperatura y la gravedad juega un rol importante, sin ella no hay convección.
� El calor se transmite con transporte de materia.
Agost 2014 - Clase 1 UNSAM - Energía - S.Gil 6
Radiación�No es necesario que exista un medio material�El calor se transmite sin transporte de materia.�El calor es transferido por medio de la radiación
electromagnética (radiación infrarroja, microondas, etc.) �Las temperaturas altas irradian más calor que las
frías. �Los cuerpos negro irradian más que los claros o
brillantes.�La radiación electromag. pasa por medios
transparentes (aire, vidrio, espacio) sin calentarlos significativamente.
�EX: la radiación térmica del Sol calienta la Tierra sin calentar el espacio entre estos cuerpos.
�2
Agost 2014 - Clase 1 UNSAM - Energía - S.Gil 7
Conducción - Detalles
� Existe un medio material a través del cual se propaga el calor
� Se transmite el calor sin transporte de materia.
� Conducción es la transferencia de calor por medio de la vibración de electrones o moléculas (fonones) En este caso el medio
material es la barra metálica. No se mueva la materia Agost 2014 - Clase 1 UNSAM - Energía - S.Gil 8
Ecuación general de la conducción-Ley de Fourier
Q : Cantidad de energía (Calor), H=dQ/dt : Flujo de calor (W)
k : Coeficiente de cond. Térmica de material (barra) (J/m.s.ºC)
t : Tiempo (s)
TH : Temp caliente
TC : Temp fría
L : Distancia entre los extremos
A : Area de la sección Transversal
dx
dTAk
dt
dQWH ⋅⋅−==][
El Flujo de calor (H ) es proporcional al gradiente de temperatura (dT/dx)
TH
Hot
TC
Cold
L = ∆x
Area A
L
)T-(T A k-
dt
dQH CH⋅⋅==
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Ecuación de conducción
dx
dTAk
dt
dQwH ⋅⋅−==)(
H=dQ/dt
TF
ATC
dx
A
dt
dQH =
L
ℜ
∆=−⋅
⋅−==
TTT
l
Ak
dt
dQH FC )(
Ak
lter
⋅=ℜ
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Ecuación de conducciónSistemas en serie y Paralelo
dx
dTAk
dt
dQwH ⋅⋅−==)(
dx
A
dt
dQH =
ℜ
∆=−⋅
⋅−==
TTT
l
Ak
dt
dQH FC )( Ak
lter
⋅=ℜ
12
12 )(
ℜ
−−=
TTH
2112 ℜ+ℜ=ℜ 2112
111
ℜ+
ℜ=
ℜ
T2 > T1Tm
d21
d11
T1
T2
2
1
H=dQ/dt
d
T2
T1
2 1
H=dQ/dt
Sistema en ParaleloSistema en serie
Pared y ventanaVidrios dobles
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Conductividad térmica de Varias Sustancias
Substance Heat Conductivity (w/m.k)
Air at 20 °C 0.023
Dry Soil 0.25
Water at 20 °C 0.60
Snow 0.63
Wet Soil 2.1
Ice 2.1
Granite 2.7
Iron 80
Silver 427
Copper 380Agost 2014 - Clase 1 UNSAM - Energía - S.Gil 12
Convección
� Existe un medio material fluido a través del cual se propaga el calor
� La densidad del medio varía con la temperatura y la gravedad juega un rol importante, sin ella no hay convección.
� El calor se transmite con transporte de materia.
�3
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Tipos de Convección
� Convección NATURAL: La variación de densidades por variación de temperatura dentro del fluido (medio) genera el flujo del fluido
� Convección Forzada: El uso de dispositivos mecánico (ventiladores, bombas, etc.) produce o estimula el movimiento del fluido
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Convección NATURAL
�Convección NATURAL : La variación de densidades por variación de temperatura dentro del fluido (medio) genera el flujo del fluido.
� En primera aproximación, viene descripta por la ley de enfriamiento de Newton
h una constante característica que depende del régimen de disipación (laminar, turbulento, etc.) de la conductividad térmica del medio fluido y el estado de las superficies
( )medioconvconv TThAHP −⋅⋅== sup
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Convección - Ejemplo
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Resumen
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Radiación�No es necesario que exista un medio material para que se produzca la radiación.
�El calor se transmite sin transporte de materia.�El calor es transferido por medio de la radiación electromagnética (radiación infrarroja, microondas, etc.)
�Las temperaturas altas irradian más calor que las frías.
�Los cuerpos negro irradian más que los claros o brillantes.
�La radiación Electromag. pasa por medios transparentes (aire, vidrio, espacio) sin calentarlos significativamente.
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Emisividad, e
“Determina la eficiencia con que un objeto irradia o absorbe energía por radiación”Varía entre e=0 to e=1Para Superficies similares:
� e es bajo para (cercano a 0)Para color blanco, brillante, o superficiesclaras ( emisores / absorbentes pobres)
� e alto (cercano a 1) para superficies negras (buenos emisores / absorbentes )
�4
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Ley de Stefan-Boltzmann
P =La potencia irradiada por una superficie (de área A) y emisividad e, a temperatura T.σ es la constante de Stephan Boltzmann (Universal) σ =5.67 x 10–18 J / (s m2 K4)
P = e σ T4 A
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Radiación� Radiación: Todos los objetos irradian energía electromagnética.
� e = emisividad (entre 0 y 1) Negro perfecto “black body” e=1� T temperatura absoluta
� σ = Stefan-Boltzmann constant = 5.67 x 10-8 J/(s m2K4)
� No se requiere ningún medio material
� Todos los objetos absorben energía electromagnética del medio. �
� Buenos emisores= buenos absorbentes (e= 1)
4TA e dQ/dt Pemit ⋅⋅⋅== σ
40TA e dQ/dt Pabsor ⋅⋅⋅== σ
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Espectro Electromagnético
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Espectro Electromagnético
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Ley de Wein
� La ley de Wein establece que la longitud de onda a la que un cuerpo emite mayor radiación está relacionada con su temperatura.
� λmax = θ/T (Ley de Wien)
donde λmax es la longitud de onda correspondiente a la máxima radiación electromagnética, θ es una constante igual a 2897 µm K, y T es la temperatura en Kelvin.
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Mecanismos de transferencia de Calor
� Conducción:El calor fluye por un medio material
� Convección:El calor fluye por un medio del movimiento
del medio material (Fluido)� Radiación:
El calor fluye por medio ondas electromagnéticas
Siempre el calor va del cuerpo caliente al frío
�5
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Termos - Dewar
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Efecto Invernadero (greenhouse)
� El vidrio es trasparente a la luz visible (long. de ondas cortas) , pero opaco al la radiación infrarroja (long. De onda larga)
� El interior está más caliente que el exterior
Transmisión de la luz en vidrio
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Cámara comúnvisible
Cámara comúnvisible
Cámara Infrarrojarecuadro
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La atmosfera
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Atmósfera de la Tierra
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Atmósfera de la Tierra� Distintos gases absorben energía a distintas long. de ondas
� CO2 y H2O absorben fuertemente la radiación Infrarroja. Al re-emitir lo hacen en todas las direcciones. El resultado neto es que más energía queda dentro de la atmósfera.
� Por eso las noches nubladas no son tan frías como las despejadas.
� La emisión de CO2 genera calentamiento de la Tierra
�6
Transmisión de la atmosfera
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Conductividades térmicas de algunos materialesa temperatura ambiente
Material K (W·m-1·K -1)Vapor de agua 0.025Aire 0.026Agua líquida 0.61Mercurio 8.4Espuma de poliestireno 0.036Papel 0.13Vidrio 0.35-1.3Hielo 2.2Plomo 34Acero 45Aluminio 204Cobre 380
k
Buenos conductores
Malos conductores
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Conductividades
Conductividad térmica k
Sustancia [Kcal/s.m.ºC]x 10 4
[W/m.k]
Plata 1000 420
Cobre 920 380
Aluminio 500 200
Acero 110 40
Vidrio (común) 2.0 0.84 – 1.0
Pared o Concreto 2.0 0.84
Agua 1.4 0.56
Asbesto 0.4 0.16
Madera 0.2-0.4 0.08-0.16
Aire 0.0055 0.023
Poliuretano Expandido 0.022 -0.024
34
Cálculo del flujo de calor a través del tabique de una habitación, de 34 cm de espesor, siendo las temperaturas interior y exterior de 22 ºC y 5 ºC respectivamente. Tómese como valor de la conductividad k = 0.25 W·m-1·K -1.
15034.0
522 −⋅=−
=−
−= mK
xx
TT
dx
dT
fueradentro
fueradentro
25.125025.0 −⋅−=⋅−=−= mW
dx
dTk
S
Q&
Gradiente de temperaturas
Densidad de flujoTfuera
xdentroxfuera
Gradiente de temperaturas constante →→ la temperatura varía linealmente
Gradiente de temperaturas constante →→ densidad de flujo constante
0.34 m
dx
dT
S
Qx&
Tdentro
Agost 2014 - Clase 1 UNSAM - Energía - S.Gil
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Ley de enfriamiento de Newton
[ ]KWAhA
Rc /1.01
≈=
Temperatura superficial Temperatura del fluido libre
Coeficiente deconvección
Superficie deintercambio
T superficial
T fluido libre
Capa límite ∆T
cR
TThATThAH
∆=∆⋅=−= ∞ )(
Aire libre
Vidrio Simple,
espesor dv
aire
espesor da
++=+
⋅+=ℜ
invid
vid
ex
c
vid
vidext
csimplehk
d
hAR
k
d
AR
1111
1 (int))(1 hex ≈ 23 w/m2K
hin ≈ 8 w/m2K
kvid ≈ 1 w/mK
wKmA
wKmAA
simple /7.5
1/
17.0231
1004.0
811 22
1×
=≈
++=ℜ
KwAvidrio / 7.5/1 1 ×=ℜ
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Ventanas vidrio, espesor dv
aire
espesor da
vidrio, espesor dv
aire
espesor dv= 4mm
inexairevidrioinexRRRR ++ℜ+ℜ⋅=+ℜ+ℜ+ℜ+=ℜ 222112
AAhhk
d
k
d
A inexaire
aire
vid
vidvidrio
61.0168.0
023.001.0
008.011121
2 ≈
++⋅=
+++⋅=ℜ
6.31
2
2
1 ≈ℜ
ℜ==
vidrio
vidrio
vidrio
vidrio
H
Hν
12
12 )(
ℜ
−−=
TTH
daire ≈ 2cm y dvidrio ≈ 3mm, el redimiendo de aislación será
Ejercicio: Incluir los efectos de convección y calcular las perdida de una casa: 60 m2 con 6 aberturas exteriores de 2.5 m2 cada una
KwAvidrio / 7.5/1 1 ×=ℜ
++=++=ℜ
invid
vid
ex
c
vid
vidext
csimplehk
d
hAR
kA
dR
111.
(int))(1
KwAvidrio / 6.1/1 2 ×=ℜ
ν ≈ 3.5
�7
37
30 35 40 45 50T (ºC)
08:00
10:00
05:00
12:00
15:00
18:00
Altura
15 cm
30 cm
60 cm
1.20 m
10.0 m
2.40 m
-2 cm
-5 cm
-15 cm
Perfiles en verano (datos: media meses julio y agosto, basado en A. H. Strahler, Geografía Física)
CONDUCCIÓN EN SUELO
El suelo tiene una capacidad calorífica alta, entre 0.27 y 0.80 cal/g/ºC. Es un buen acumulador de calor, y una baja conductividad térmica, que hace que la penetración del calor en el suelo sea lenta, al igual que su enfriamiento.
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Cuando un fluido caliente se mueve en contacto con una superficie fría, el calor se transfiere hacia la pared a un ritmo que depende de las propiedades del fluido y si se mueve por convección natural, por flujo laminar o por flujo turbulento.
Convección
Convección natural Flujo laminar Flujo turbulento
Convección forzada
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h (W⋅m-2⋅K-1)
Convección libre en aire 5-25Convección libre en agua 500-1000Convección forzada en aire 10-500Convección forzada en agua 100-15000Agua hirviendo 2500-25000Vapor condensando 5000-100000
Valores típicos del coeficiente de convección
Agost 2014 - Clase 1 UNSAM - Energía - S.Gil Agost 2014 - Clase 1 UNSAM - Energía - S.Gil 40
Temperatura y la Ley cero
� Dos objetos que están en equilibrio térmico, están a la misma temperatura.
� La temperatura es una propiedad que determina si dos cuerpos están en equilibrio térmico o no.
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Moles y Número de Avogadro
� Un Mol es una cantidad de materia igual al su peso molecular expresado en gramos.
� 1 mol de una sustancia tiene el mismo numero de moléculas que el mol de cualquier otra sustancia
� El numero de partículas en un mol es igual al Número de Avogadro= NA = 6.02 ×1023 partículas/mol
� Podemos calcular la masa de cualquier átomo o molécula:
A
atomoN
molarmasam
=
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Vapores
� Un vapor es una sustancia volátil, similar a un gas que se encuentra en contacto con su líquido
� El valor de la presión de equilibrio es una función sólo de la temperatura y no depende del volumen que ocupa el vapor- Presión independiente del volumen
Agua
Manómetro
Vapor
r
P
T
=
Ps
P
t
Compresión
Expansión
Ps
t=tiempo
t=tiempo
�8
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Vapores y Gases
� Un vapor se licua al comprimirlo
� Un gas (T>Tc = Temperatura Crítica) no
� Presión Crítica (Pc)y Volumen Crítico(Vc).
Líquido
Sólido
Vapor
Gas
TcT
P
TT
P
Tc
T>Tc
V
Gas
VaporLíquido
vapor
Punto
Crítico
Gases y vapores
44
Poder CaloríficoTemperaturaPunto de Presión
COMPONENTE Promedio CríticaDENSIDADEbullición Vapor
Kcal/m3 [ºC][kg-m^3] [ºC] [Bar]
METANO 8,556 -161.5 345.5 Gas
ETANO 15,102 -88.6 59.2 Gas
PROPANO 21,552 -42.1 13.5 Vapor
ISO BUTANO 27,887 -11.8 5.2 Vapor
BUTANO NORMAL 27,971 -0.5 3.7 Vapor
ISO PENTANO 34,326 27.8 1.5 Vapor
PENTANO NORMAL 34,406 36.1 1.1 Líquido
N - HEXANO 40,847 68.7 Líquido
Agost 2014 - Clase 1 UNSAM - Energía - S.Gil
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Planta de Peak Shaving - Gas BAN
� 1995 primera planta de almacenamiento criogénico de gas -Peak Shaving- de América Latina.
� 50 millones de dólares
� responder a los picos de demanda invernal.
� General Rodríguez, a 60 kilómetros al noroeste de la Capital Federal.
� Almacenar 41.200 m3 de gas natural licuado (equivalentes a 25.000.000 m3 de gas natural
� Capacidad de emisión de 3.980.000 m3 de gas natural.
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GNL - Argentina
Planta de GNL Bahía BlancaPlanta de GNL Escobar
Buque metanero (transportador de GNL) y Buque regasificador UNSAM - Energía - S.GilAgost 2014 - Clase 1
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GNL - ArgentinaUn metanero es un buque dedicado al transporte de Gas Natural Licuado. Son barcos son muy sofisticadas, el gas está a una temperatura de
-160 °C . Capacidad de carga de entre 30.000 y 150.000 m3.
LNG (Liquified Natural Gas).
Agost 2014 - Clase 1 UNSAM - Energía - S.Gil 48
Gas natural- Composición
METANO 89.4% 8,556 82.6 - 0.681 -161.5 345.5
ETANO 3.4% 15,102 32.3 1.277 -88.6 59.2
PROPANO 2.1% 21,552 96.7 1.873 -42.1 13.5
ISO BUTANO 0.7% 27,887 135.0 2.468 -11.8 5.2
BUTANO NORMAL 0.6% 27,971 152.0 2.468 -0.5 3.7
ISO PENTANO 0.0% 34,326 187.2 3.064 27.8 1.5
PENTANO NORMAL 0.0% 34,406 196.5 3.064 36.1 1.1
N - HEXANO 0.3% 40,847 234.3 3.658 68.7
N - HEPTANO 47,285 267.1 4.255
N - OCTANO Y SUP. 53,713 295.6 4.851
NITROGENO 1.5% 147.1 - 1.190Agost 2014 - Clase 1 UNSAM - Energía - S.Gil
Porcent. PCs T_eb Dens.Abs.
�9
Fin de la presentación
Muchas Gracias
UNSAM - Energía - S.GilAgost 2014 - Clase 149UNSAM - Energía - S.Gil
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