ESCUELA POLITECNICA NACIONAL

ESCUELA POLITECNICA NACIONAL

E.S.F.O.T

ELECTROMECANICA

SEGUNDO SEMESTRE

TRABAJO DE ANALISIS DE FLUIDOSMECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALORING. CARLOS POZODIEGO MANCHAY

ENERO 26 DEL 2009 TRASFERENCIA DE CALOR

Ya se defini al calor como una forma de energa que fluye y se transfiere de un cuerpo a otro, debido ala diferencia de temperatura entre los mismos. La transferencia de calor es el estudio es el estudio de la manera como fluye el calor y de los procedimientos para calcular el rgimen de transferencia de calor, lo cual es de vital importancia en la refrigeracin.

La transferencia de calor tambin es el estudio mediante los cuales se transfiere calor para que se de transferencia de calor se hace que se ponga con diferente temperatura, lo que provoca un flujo de calor hacia el sistema de temperatura de calor.

Durante este sistema del capitulo que la TA y TB no baja (es decir el flujo de calor permanece constante). Dependiendo de las condiciones de frontera de los sistemas se pueden presentar 3 formas diferentes de condicin de calor entre los que tenemos conduccin conveccion , radiacin.

La transferencia de calor puede tener lugar de tres maneras posibles

Conduccin

Conveccin

RadiacinTransferencia de calor de conduccin

Intercambiadores de calor

Es la forma de transferencia de calor a travs de un cuerpo y que tiene lugar sin movimiento alguno de dicho cuerpo; es el resultado de una accin molecular o electrnica.

El proceso de calor que puede darse en un medio solid liquido o gaseoso mediante una comunicacin molecular directa para esta forma las molculas no se encuentran en movimiento

Ejemplo en los slidos: cuando el cuerpo metlico de una olla se calienta en una estufa, el calor fluye por el mango hasta llegar a la mano

Conductividad termica

Si la temperatura de los diferentes puntos de un solid son desiguales el calor fluir espontneamente desde las altas temperaturas hasta zonas de baja temperatura este se denomina conductividad trmica La cantidad trmica de calor que fluye entre 2 isotermos de diferente valor por unidad de tiempo se denomina flujo calorficoQ = calor .cal d watt

Tiempo seg seg

El calor se transfiere a travs de una sustancia sin que exista ningn movimiento de la misma.

La energa se transfiere internamente mediante el movimiento de las molculas. Esto ocurre por lo general en los slidos. Como ejemplo, se tiene la transferencia de calor a travs de las paredes de un almacn refrigeradoley de la conduccin de calor de Fourier.

El calor Q transferido en un tiempo t fluye del extremo caliente al fro se llama la rapidez de transferencia de calor H = Q/t, H (en Watts)

H = dQ = -KA.dT dt dxK (en W/mK) Se llama conductividad trmica del material, magnitud que representa la capacidad con la cual la sustancia conduce calor y produce la consiguiente variacin de temperatura

dT / dx

Es el gradiente de temperatura. El signo menos indica que la conduccin de calor es en la direccin decreciente de la temperatura. Q = - (K dT

Dx

Q( dx = -( (KdT

Qx(= -(KT(QL = -(K (tb Ta)Q = (K (Ta Tb) LQ = Ta Tb Q = Tb Ta L Rt Rt (KRt = L

(KPAREDES HUECAS CILINDRICAS

Q = (Tb Ta)

ln re / r1 2(LkTRANSFERENCIA DE CALOR ENTRE PAREDES COMPUESTAS CILINDRICAS HUECAS

R1 = ln r2 / r1 R2= ln r3 / r2 2(Lk1 2(Lk2Qr1 = T1 T2 Qr2= T2 T3 R1 R2Q = T1 T3

(Rt

TRANSFERENCIA DE CALOR EN ESFERAS HUECAS Q = (T1 - T2) Q = T1 T2 R1 r2 (R1 4(kr1r2Valores de conductividades trmicas

Materiales a 25 CGases a 20 COtros materiales

sustancia(W/mK)sustancia(W/mK)sustancia(W/mK)

Aluminio238Aire0.0234Asbesto0.08

Cobre397Helio0.138Concreto0.8

oro314Hidrogeno0.172Diamante2300

Hierro79.5Nitrogeno0.0234Vidrio0.84

Plomo34.7oxigeno0.0238Hule0.2

Plata427Madera0.08 0.16

latn110Corcho0.42

Tejido humano0.2

Agua0.56

hielo2

Transferencia de calor por conveccion

Aplicacin industrial calefactor solar de aireEs la forma de transferencia de calor que resulta del movimiento total de los lquidos o los gases

En la conveccion natural, la circulacin del fluido tiene lugar debido a diferencias en la densidad del mismo .resultantes asimismo de las diferencias de temperatura. Un fluido a una temperatura mas elevada tiene una menor densidad, y por lo tanto se eleva. Por ejemplo en un condensador de conveccion natural enfriado por aire, el refrigerante caliente eleva la temperatura del aire ambiente cercano al condensador. Este aire que ahora esta mas caliente que el aire mas apartado, se eleva conduciendo calor. Entonces el aire mas fri fluye para ocupar su lugarConveccion libre (natural)Se produce debido aquel liquido caliente es menos denso que el mismo liquido fri, es decir el agua caliente es menos denso que friConveccion forzadaLa circulacin del fluido se obtiene mecnicamente por lo general mediante la bomba o un ventilador.Ley de enfriamiento de NewtonH = h A (TA T) Donde h se llama coeficiente de conveccin, en W/(m2k), A es la superficie

Que entrega calor con una temperatura TA al fluido adyacente, que se encuentra a una temperatura T, El flujo de calor por conveccin es positivo (H > 0) si el calor se transfiere desde la superficie de rea A al fluido (TA > T) y negativo si el calor se transfiere desde el fluido hacia la superficie (TA < T).Valores tpicos de coeficientes de conveccionPROCESOh(W/m2K)

Conveccion libre

Gases2 - 25

lquidos50 -1000

Conveccion forzada

Gases25 - 250

lquidos50 - 20000

Radiacin

Poder de penetracin de la radiacin.

Es la forma de transferencia de calor que se efecta entre dos cuerpos separados, como resultado de un medio llamado radiacin electromagntica, llamada a veces movimiento ondulatorio.

Como sucede en todas las transferencias de calor un cuerpo debe hallarse a una temperatura ms alta que el otro. El calor se transfiere entre los dos cuerpos aun en el caso de existir un vaci (la ausencia de toda materia) entre ellos. Cuando un gas se encuentra presente entre los cuerpos, aun hay transferencia de calor, pero por lo general en una proporcin menor. No obstante la presencia de un objeto solid opaco entre los cuerpos impedir la radiacin

Ejemplo: el calor que recibe nuestro cuerpo cuando permanece enfrente de un fuego, y el calor que recibe del sol La contribucin de todas las longitudes de onda a la energa radiante emitida se denomina poder emisor del cuerpo, y corresponde a la cantidad de energa emitida por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. Como puede demostrarse a partir de la ley de Planck, el poder emisor de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor de proporcionalidad se denomina constante de Stefan-Boltzmann en honor a dos fsicos austriacos, Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884 respectivamente, descubrieron esta proporcionalidad entre el poder emisor y la temperatura. Segn la ley de Planck, todas las sustancias emiten energa radiante slo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energa emitida. Adems de emitir radiacin, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito de hielo emite energa radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lmpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite.

Adems de los procesos de transmisin de calor que aumentan o disminuyen las temperaturas de los cuerpos afectados, la transmisin de calor tambin puede producir cambios de fase, como la fusin del hielo o la ebullicin del agua. En ingeniera, los procesos de transferencia de calor suelen disearse de forma que aprovechen estos fenmenos. Por ejemplo, las cpsulas espaciales que regresan a la atmsfera de la Tierra a velocidades muy altas estn dotadas de un escudo trmico que se funde de forma controlada en un proceso llamado ablacin para impedir un sobrecalentamiento del interior de la cpsula. La mayora del calor producido por el rozamiento con la atmsfera se emplea en fundir el escudo trmico y no en aumentar la temperatura de la cpsula.

ANALOGIA ELECTRICA

Se conoce que en una instalacin elctrica puede disponerse los elementos en serie o en paralelo si los elementos estn en serie tienen la formula:

Rt = R1+R2+R3Vab =V1+V2+V3I= I1+I2+I3

Si la instalacin estara en paralelo se presentara de la siguiente forma:

1 = 1 + 1 + 1

Rt R1 R2 R3Vab = V1 + V2 + V3

I = I1 + I2 + I3

Si hacemos analoga entre transparencia de calor y flujo elctrico se tendra:

Rt ( Re

Q ( I

(T = (v

Es as que por ejemplo si se considera una pared

Q = (T

(Rt

Resistencia trmica

Para calcular la resistencia trmica es necesario transformar las ecuaciones que modelan los distintos mecanismos de transferencia de calor para que presenten la siguiente forma:

( Ta - Tb ) / Q-punto = expresin matemtica = Rth

La expresin de la resistencia trmica es diferente dependiendo del mecanismo de transferencia.

Resistencia trmica por contactoAl efectuar el anlisis de la conduccin de calor a travs de paredes compuestas por capas de diferentes materiales se suele suponer, idealmente, que el contacto entre las diferentes capas es perfecto, resultando, por ejemplo, el circuito termoelctrico de la siguiente figura:

Problemas reales de transferencia de calor

1. Circula agua caliente por un tubo de acero de 11.4 cm. de dimetro y 210cm de dimetro interior. Esta aislado con 5.8 cm. de magnesita de 85 %. Termopares embritidos en la superficie interior muestra temperatura de 121 y 46 C respectivamente. Calclese la prdida de calor de 100m de cada tubera

R1=5cm Q=(T Q= -k(dTR2=5.7cm Rt dxR3012.78cm Q=(121-46)1C Qdx = 2(xL10.093TdT(r3=5.08 ln(r3/r2) Q(dx = 2(L(0.093TdT 2(lk Q =ln(r3/r2) - 2(100 . 0.093(46.12 1212) 2 Rt= 0.011C Q=286824watt Watt Q=6.8091watt

K=0.093T

2. El vidrio de una ventana se encuentra a 10 C y su rea es 1.2m2. Si la temperatura del aire exterior es 0 C, calcular la energa que se pierde por conveccin cada segundo. Considerar h = 4 W/ (m2K). Solucin: Los datos son:

TA = 10C = 283K, T = 0 C = 273K,A = 1.2m2

Usando la ley de enfriamiento de Newton:H = h A (TA T)

H = 4 W x 1.2m2 x (283 273) K m2 kH = 48 WBibliografa

Baskakov, A, P TermotecniaFaires ,Virgil M Termodinmica"Transferencias de Calor Aplicada a la Ingeniera", Editorial Limusa, James R. Welty, primera. "Termodinmica Aplicada", Editorial McGraw - Hill, primera edicin.