Tema 1:

Mecanismos de Transferencia de CalorJ. Bornscheuer

J. Bornscheuer

Objetivos:

Comprender los mecanismos bsicos de transferencia de calor: Conduccin, Conveccin y Radiacin. La Ley de Fourier de conduccin de calor, la Ley de Newton del enfriamiento y la Ley de Stefan-Boltzmann de la radiacin.

Identificar los mecanismos de Transferencia de Calor que se producen en la prctica.

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Objetivos:

Desarrollo sobre mejoras asociados a las prdidas de calor del sistema.

Solucin de los distintos problemas de transferencia de calor en la prctica.

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Introduccin.Calor: La forma de energa que puede ser transferida de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura.

Termodinmica: Trata de los estados de equilibrio y los cambios de un estado de equilibrio a otro. J. Bornscheuer

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Introduccin.Transferencia de Calor: Se ocupa de la determinacin de los tipos de energa, mtodo de transferencia, y variacin de la temperatura. La transferencia de calor se detiene cuando los dos medios llegan a la misma temperatura.

El calor puede ser transferido en tres modos diferentes : Conduccin, Conveccin, Radiacin.

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Conduccin.La Conduccin es la Transferencia de Energa de las partculas ms energticas de una sustancia hacia las adyacentes menos energticas, como resultado de las interacciones entre esas partculas.

En los gases y lquidos, la conduccin se debe a las colisiones y a la difusin de las molculas durante su movimiento aleatorio.

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Conduccin.En los slidos, se debe a la combinacin de las vibraciones de las molculas en una retcula y al transporte de energa por parte de los electrones libres.

La tasa de conduccin de calor a travs de una pared plana es proporcional a la diferencia de temperatura entre la pared y el rea de transferencia de calor, pero es inversamente proporcional al espesor de la pared.

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Conduccin.O bien, puede ser expresada como:

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Conduccin.J. BornscheuerConduccin de calor a travs de una pared plana de gran espesor x y rea A.

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Conduccin.En el caso lmite de x 0, la ecuacin que acaba de darse se reduce a la forma diferencial.

La cual se llama Ley de Fourier de conduccin de calor.J. Bornscheuer

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Conduccin.J. BornscheuerLa Razn de Conduccin de calor a travs de un slido es directamente proporcional a su conductividad trmica.

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Conduccin.La Conductividad trmica (k), es la capacidad de cierto material para conducir el calor.

El Gradiente de temperatura dT/dx, es la pendiente de la curva de la temperatura en un diagrama T-x .

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Conduccin.

El calor es conducido en la direccin de la temperatura decreciente y el gradiente de temperatura se vuelve negativo cuando esta ltima decrece al crecer x . El signo negativo en la ecuacin asegura que la transferencia de calor en la direccin x positiva sea una cantidad positiva.

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Conduccin.J. BornscheuerEn el anlisis de la Conduccin de calor, A representa el rea perpendicular a la direccin de la transferencia de calor.

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Conductividad Trmica.La Conductividad Trmica de un material se puede definir como la Razn de Transferencia de calor a travs de un espesor unitario del material por unidad de rea por unidad de diferencia de temperatura.

Un valor elevado de Conductividad trmica indica que el material es un buen conductor de calor, y un valor bajo indica que el material es un mal conductor de calor o que es un aislante.J. Bornscheuer

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Conductividad Trmica.J. Bornscheuer

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Conductividad Trmica.J. BornscheuerRango de la conductividad trmica de diversos materiales a temperatura ambiente.

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Conductividad Trmica.La conductividad trmica de los gases varan en un factor de 104 con respecto a la de los metales puros como el cobre. Los cristales y metales puros tienen la ms alta conductividad trmica, y los gases y materiales aislantes las ms bajas. J. Bornscheuer

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Conductividad Trmica.J. BornscheuerLos mecanismos de conduccin de calor en las diferentes fases de una sustancia.

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Conductividad Trmica.J. Bornscheuer

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Conductividad Trmica.J. Bornscheuer

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Conductividad Trmica.J. BornscheuerVariacin de la conductividad trmica de diversos slidos, lquidos y gases con la temperatura.

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Difusividad Trmica.cp Calor Especfico, J/kg C: Capacidad calorfica por unidad de masa.

cp Capacidad Calorfica, J/m3 C: Capacidad calorfica por unidad de volumen. Difusividad Trmica, m2/s: Representa cuan rpido se difunde el calor por un material.J. Bornscheuer

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Difusividad Trmica.La Difusividad trmica se define como:J. Bornscheuer

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Difusividad Trmica.Un material que tiene una alta conductividad trmica o una baja capacidad calorfica, obviamente, tienen una gran difusin trmica. Cuanto mayor es la difusividad trmica, ms rpida es la propagacin del calor hacia el medio. Un valor pequeo de la difusividad trmica significa que, en su mayor parte, el calor es absorbido por el material y una pequea cantidad de ese calor ser conducido todava ms.J. Bornscheuer

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Difusividad Trmica.J. Bornscheuer

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Conveccin.La Conveccin es el modo de transferencia de energa entre una superficie slida y el lquido o gas adyacente que est en movimiento, se trata de los efectos combinados de la Conduccin y el fluido en movimiento. Cuanto ms rpido el movimiento del fluido, mayor ser la transferencia de calor por conveccin.

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Conveccin.En ausencia de cualquier movimiento masivo de fluido, la transferencia de calor entre una superficie slida y el fluido adyacente es por conduccin pura .J. Bornscheuer

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Conveccin.J. BornscheuerTransferencia de calor de una superficie caliente hacia el aire por conveccin.

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Conveccin.Conveccin Forzada: Si el fluido es forzado a fluir a la superficie mediante medios externos como un ventilador, una bomba o el viento.

Conveccin Natural (o libre): Si el movimiento del fluido es causado por las fuerzas de empuje que son inducidas por las diferencias de densidad debidas a la variacin de la temperatura en ese fluido.

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Conveccin.Los procesos de transferencia de calor que comprenden Cambio de Fase de un lquido tambin se consideran como conveccin a causa del movimiento de ese fluido inducido durante el proceso, como la elevacin de las burbujas de vapor durante la ebullicin o la cada de las gotas de lquido durante la condensacin.

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Conveccin.J. BornscheuerEnfriamiento de un huevo cocido por conveccin forzada y natural.

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Conveccin.La rapidez de la transferencia de calor por conveccin es proporcional a la diferencia de temperatura y se expresa en forma conveniente por la Ley de Newton del Enfriamiento como:

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Conveccin.El Coeficiente de Transferencia de Calor por conveccin, h, no es una propiedad del fluido. Es un parmetro que se determina en forma experimental y cuyo valor depende de todas las variables que influyen sobre la conveccin como:- Configuracin geomtrica de la superficie. - Naturaleza del movimiento del fluido. - Propiedades del fluido. - Velocidad masiva del fluido.

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Conveccin.J. Bornscheuer

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Radiacin.La Radiacin es la energa emitida por la materia en forma de ondas electromagneticas (o fotones) como resultado de los cambios en las configuraciones electrnicas de los tomos o molculas.

A diferencia de la conduccin y conveccin, la transferencia de calor por radiacin no requiere la presencia de un medio interventor.

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Radiacin.De hecho, la transferencia de calor por radiacin es la ms rpida (a la velocidad de la luz) y no sufre atenuacin en un vaco. sta es la manera en que la energa del Sol llega a la Tierra.

En los estudios de transferencia de calor es de inters la Radiacin Trmica, que es la forma de la radiacin emitida por los cuerpos debido a su temperatura.

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Radiacin.Todos los cuerpos a una temperatura arriba del cero absoluto emiten radiacin trmica.

La Radiacin es un Fenmeno Volumtrico, y todos los slidos, lquidos y gases emiten, absorben o transmiten la radiacin en diversos grados.

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Radiacin.La razn mxima de la radiacin que se puede emitir desde una superficie a una temperatura trermodinmica Ts (en K o R) es expresada por la Ley de Stefan Boltzmann como:

= 5.670 108 W/m2 K4, Constante StefanBoltzmann.

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Radiacin.La superficie idealizada que emite radiacin a la mxima razn se le llama Cuerpo Negro.

La radiacin emitida por todas las superficies reales es menor que la emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura y se expresa como:

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Radiacin.Con respecto a la ecuacin anterior, es la Emisividad de la superficie, cuyo valor est en el intervalo 0 1, es una medida de cuan prxima est una superficie de ser un cuerpo negro, para el cual = 1

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Radiacin.J. BornscheuerLa radiacin del cuerpo negro representa la mxima cantidad de radiacin que puede ser emitida desde una superficie a una temperatura especfica.

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Radiacin.J. Bornscheuer

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Radiacin.Otra importante propiedad relativa a la radiacin de una superficie es su Absortividad , la cual es la fraccin de la energa de radiacin incidente sobre una superficie que es absorbida por sta, 0 1.

Un cuerpo negro absorbe toda la radiacin incidente sobre l ( = 1).

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Radiacin.La Ley de Kirchhoff de la radiacin afirma que la emisividad y la absortividad de una superficie a una temperatura y longitud de onda dadas son iguales.

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Radiacin.J. BornscheuerAbsorcin de la radiacin incidente sobre una superficie opaca de absortividad .

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Radiacin.Radiacion Neta: Diferencia entre los tipos de radiacin emitida por la superficie y la radiacin absorbida.

La determinacin de la tasa neta de transferencia de calor por radiacin entre dos superficies es un asunto complejo, ya que depende de:

- Las propiedades de las superficies.- Orientacin de una respecto de otra.- Interaccin del medio entre las superficies y la radiacin.

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Radiacin.La radiacin suele ser importante en relacin a la conduccin o conveccin natural, pero insignificante en comparacin con la conveccin forzada.

Coeficiente combinado de transferencia de calor, hcombinado, incluye tanto los efectos de la conveccin como de la radiacin.

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Radiacin.Entonces, la razn total de transferencia de calor hacia una superficie, o desde sta, por conveccin y radiacin se expresa como:

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Radiacin.J. BornscheuerTransferencia de calor por radiacin entre una superficie y las superficies que la circundan.

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Mecanismos Secundarios de Transferencia de Calor.La transferencia de calor se produce slo por conduccin en slidos opacos, pero por conduccin y radiacin en los slidos semitransparentes. Un slido puede involucrar conduccin y radiacin, pero no conveccin. Sin embargo un slido puede involucrar conveccin y/o radiacin en las superficies expuestas a un fluido o a otras superficies.

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Mecanismos Secundarios de Transferencia de Calor.La transferencia de calor es por conduccin y, posiblemente, por la radiacin en un Fluido esttico (sin movimiento masivo del fluido) y por conveccin y radiacin en un fluido que fluye. En ausencia de radiacin, la transferencia de calor a travs de un fluido, es por conduccin o conveccin, dependiendo de la presencia de algn movimiento masivo de ese fluido.

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Mecanismos Secundarios de Transferencia de Calor.Conveccin = Conduccin + Movimiento de Fluido.

La mayora de los gases entre dos superficies slidas no interfieren con la radiacin. Los lquidos son generalmente amortiguadores fuertes de radiacin.

Por ltimo, la Transferencia de calor a travs del vaco slo se produce por radiacin, ya que la conduccin o la conveccin requieren de la presencia de un medio material.

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Mecanismos Secundarios de Transferencia de Calor.J. BornscheuerAun cuando se tienen tres mecanismos de transferencia de calor, un medio slo puede comprender dos de ellos simultneamente.

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