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


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


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)


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.


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


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⋅⋅==


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


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


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.

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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


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


Convección - Ejemplo


Resumen


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.


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


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


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


Espectro Electromagnético


Espectro Electromagnético


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.


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

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Termos - Dewar


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


Cámara comúnvisible

Cámara comúnvisible

Cámara Infrarrojarecuadro


La atmosfera


Atmósfera de la Tierra


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

Agost 2014 - Clase 1 UNSAM - Energía - S.Gil 31 32

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



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


35

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


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


++=++=ℜ

invid

vid

ex

c

vid

vidext

csimplehk

d

hAR

kA

dR

111.

(int))(1


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.


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


39

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.


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

=


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


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


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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.


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).


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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