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Profesora:
Marianela Fernández
LABORATORIO DE
OPERACIONES UNITARIAS I
UNIVERSIDAD DEL ZULIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BÁSICA
TRANSFERENCIA DE CALOR EN UN
SISTEMA DE SÓLIDOS
Objetivo General
Aplicar la ecuación de
Fourier en un sistema con
barras sólidas de diferentes
materiales.
Determinar el calor transferido,suministrado y perdido en cadaunidad.
Determinar la conductividadtérmica, resistencia térmica yconductancia del material de cadaunidad.
Determinar la resistencia térmicatotal en cada unidad.
Objetivos Específicos
Graficar la relación entre latemperatura y la longitud de cadasistema de área constante.
Determinar la cantidad de calortransferido en la unidad con áreavariable y compararla con el calortransferido para el mismo tipo desólidos de área constante.
Objetivos Específicos
CalorEs una forma de energía asociada al movimientode los átomos, moléculas y otras partículas queforman la materia. El calor es una energía quefluye de los cuerpos que se encuentran a mayortemperatura a los de menor temperatura.
Transferencia de CalorEs el proceso por el que se intercambia energía enforma de calor entre distintos cuerpos, o entrediferentes partes de un mismo cuerpo que están adistinta temperatura. Para que exista unatransferencia de calor debe de existir una diferenciade temperatura, la cual constituye la fuerzaimpulsora de la transferencia de calor.
TRANSFERENCIA DE CALOR
TRANSFERENCIA DE CALOR
El paso de energía térmica desde un cuerpo caliente a uno frío.
T1 T2
CUERPO 1 CUERPO 2T1>T2
Q
Para que exista transferencia
de calor se necesita que
exista una diferencia de
temperatura.
La dirección o sentido de flujo de calor
siempre va desde la temperatura más alta
a la más baja.
TRANSFERENCIA DE CALOR.Importancia y utilidad
La transferencia de calor esta envuelta en muchos procesosindustriales:
Suministrar: Precalentar corrientes en un proceso, para alcanzar la
temperatura de una reacción.
Separar componentes en una columna de destilación.
Producir el vapor en una caldera.
Retirar: En un reactor dependiendo si la reacción es endotérmica o
exotérmica.
En el agua de enfriamiento utilizada en los intercambiadoresde calor en un proceso.
Equipos Industriales donde esta envuelta la transferencia de calor
Intercambiadores de calor: Calentadores,condensadores
Torres de enfriamiento
Calderas
Evaporadores
Secadores
Hornos
MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
La transferencia de calor se puede realizar portres mecanismos físicos:
1.CONDUCCIÓN.
2.CONVECCIÓN.
3. RADIACIÓN.
CONDUCCIÓN DE CALOR
La conducción de calor es unmecanismo de transferencia deenergía térmica entre dossistemas basados en el contactodirecto de sus partículas sin flujoneto de materia y que tiende aigualar la temperatura dentro deun cuerpo y entre diferentescuerpos en contacto.
Se produce por el choque de unas moléculas con otras,donde las partículas más energéticas le entreganenergía a las menos energéticas.
El calor no se transmite con la misma facilidad portodos los cuerpos.
CONVECCIÓN DE CALOR
Es el modo en que se transfiere la energíaentre una superficie sólida y el fluidoadyacente (líquido o gas).
Es el mecanismo de transferencia de calorpor movimiento de masa o circulacióndentro de la sustancia.
Se caracteriza porque ésta se produce através del desplazamiento de partículasentre regiones con diferentestemperaturas.
Se produce únicamente en materialesfluidos.
Éstos al calentarse disminuyen su densidady ascienden al ser desplazados por lasporciones superiores que se encuentran amenor temperatura. Lo que se llamaconvección en sí, es el transporte de calorpor por medio de las parcelas de fluidoascendente y descendente
La transferencia de calorpor convección se modelacon la Ley del Enfriamientode Newton:
)( infTThAt
Qss
h= Coeficiente de transferencia de calor
RADIACIÓN DE CALOR La radiación térmica es la energía emitida por la
materia que se encuentra a una temperaturadada.
Se produce directamente desde la fuente haciaafuera en todas las direcciones. Esta energía esproducida por los cambios en las configuracioneselectrónicas de los átomos o moléculas.
Esta energía es transportada por ondaselectromagnéticas o fotones, por lo que recibe elnombre de radiación electromagnética.
El calor se transfiere a través del espacio porondas calóricas que viajan en línea recta en todasdirecciones
Donde: σ: Constante de Stefan-Boltzmann ε: Emisividad de la superficieA: ÁreaT: Temperatura absoluta
CONDUCCIÓN DE CALOR
El calor no se transmite con la misma facilidad por todos los cuerpos
Buenos conductores: son aquellos materiales que permiten elpaso de calor a través de ellos.
Malos conductores: son aquellos materiales que oponen mucharesistencia al paso de calor a través de ellos.
Se suelen utilizar como aislantestérmicos específicos materialescombinados de sólidos y gases: fibrade vidrio, lana de roca, vidrioexpandido, poliestireno expandido,espuma de poliuretano,aglomerados de corcho, etc.
Conductividad térmica (k)
Es una propiedad física intrínseca de los materiales que valora lacapacidad de conducir el calor a través de ellos.
Capacidad de una sustancia de transferir el movimiento cinético desus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otrassubstancias con las que está en contacto.
Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y esbaja en los gases y en materiales iónicos y covalentes, siendomuy baja en algunos materiales especiales como la fibra devidrio.
El valor de la conductividadvaría en función de latemperatura.
La inversa de la conductividadtérmica es la resistividadtérmica, que es la capacidadde los materiales paraoponerse al paso del calor.
El coeficiente de conductividad térmica (k) , representa la cantidad de
calor necesario por m2, para que atravesando durante la unidad de
tiempo, 1 m de material obtenga un diferencia de 1 ºC de temperatura
entre las dos caras.
Conductividad térmica (k)
Ley de conducción de calor: Ley de Fourier
La conducción térmica está determinada porla ley de Fourier. Establece que la tasa detransferencia de calor por conducción enuna dirección dada, es proporcional al áreanormal a la dirección del flujo de calor y algradiente de temperatura en esa dirección.
donde
Qx : es la tasa de flujo de calor que
atraviesa el área A en la dirección x.
La constante de proporcionalidad k :
se llama conductividad térmica.
T : es la temperatura y t el tiempo.
T1 T2
El signo menos indica que la conducción
de calor es en la dirección decreciente
de la temperatura.
x
TkA
t
Qx
CONDUCCIÓN: Aplicaciones Prácticas
dZ
dTK
A
q
2
10
TL
T
kdTdZA
q
)( 12 TTKLA
q )( 21 TTKL
A
q
Varillas
q
T1 T2
r
Z
L
TTKAq
)( 21
R
T
KAL
TTq
)( 21
2RA
Resistencia
Fuerza impulsora
K R q
K R q
CONDUCCIÓN: Aplicaciones Practicas
Varillas en serie
q
r
Z
k1
k2
T1
T3T2
T1 > T3
L1 L2
T1 > T2> T3
AKL
TTq
11
21 )(
AKL
TTq
22
32 )( (1) (2)
De (1) AK
LqTT
1
121 )(
AK
LqTT
2
232 )( De (2)
)()()(2
2
1
13221
AK
L
AK
LqTTTT
(1)+(2)
iR
TT
RR
TT
AKLAKL
TTq
)()(
)()(
)( 31
21
31
2211
31
RESISTENCIA TERMICA (R)
CONDUCTANCIA (C)
CALOR PERDIDO
QPERDIDO = QSUMINISTRADO - QTRANSFERIDO
ZL
Definiciones Básicas
AK
ZR
1
TCpmq otransferid .
Conducción
Varillas área variable
dZ
dTK
A
q
2
1
2
0
2
112
TZ
T
kdTdZ
RZL
RR
q
2rA baZr LZRr
ZRr
,2
0,1 bR 1
L
RRa
12
112
RZL
RRr
L
ZRRRRk
Z
TT
kA
Z
TTq
22
121
2
1
2121 )()(
Procedimiento Experimental
Unidad 1: Barra Fe,Cu y Fe Unidad 2: Barra Fe, Al
y Mg
Unidad 3: Fe A=variable
Unidad 4: Fe A= Cte
Vatímetro
Indicador de Temperatura
Unidad 5: Sistema de aguaque se transporta por las 4unidades.
Hoja de Toma de Datos
Experiencia 1. Valores de las temperaturas medidas para cada termocupla en las unidades
TERMOCUPLAUNIDAD I UNIDAD II UNIDAD III UNIDAD IV
T(ºC) T(ºC) T(ºC) T(ºC)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Hoja de Toma de Datos
Experiencia 2. Tiempo promedio de llenado de un cilindro de 30ml de agua de cada unidad
UNIDAD TIEMPO (s)
1
2
3
4
UNIDAD TENTRADA (ºC) TSALIDA (ºC)
1
2
3
4
Experiencia 3. Tiempo Valores de temperatura entrada y salida del agua en cada unidad.
Hoja de Toma de Datos
Experiencia 4. Calor suministrado por la resistencia para cada unidad
Experiencia 5. Valores de las distancias entre termocuplas.
UNIDAD QSUMINISTRADO (W)
1 y 2
3 y 4
Termocupla x (m) Material T (°C) K (W/m °C) R (°C/W) C (W/°C)
1-2
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5-6
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