Ingenieria en energías renovables Transferencia de calor

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Instituto Tecnológico de la Laguna

Ingenieria en energías renovables

Transferencia de calor

Caja caliente

Docente: Ing. Jose Eduardo Vielma Galindo

Alumnos:                                   Número de control:

Miguel  Angel Santoyo Haro            C17130494

Alejandro Levi Carlos  Gallegos      17130515

Anitsi Michell Luna M.                     17130522

Jose Manuel Sifuentes Hdz.            17130529

Abraham Espinoza Hdz.                   16131535

Kevin Rodriguez Davila                    16131440

Torreón, Coahuila, 16 de Noviembre del 2019

Calor

Antes de entender cualquier forma de transferencia de calor, debemos primero tener en cuenta que el calor es una vibración que emite toda forma de materia, toda temperatura no es mas que la manifestación de la forma en que vibran los átomos. Este fenómeno podría confundirse con electricidad y magnetismo, pero a diferencia de esas dos formas de energía, que más que energía son fuerzas manifestadas de diferente forma, el calor no hace que se intercambien o atraigan electrones, si no que hace que los electrones se muevan de formas mas rápidas, muchas veces haciendo que rosen entre sí lo cual ocasionaría al adentrarse en estructuras cristalinas y semicristalinas, que haya un rompimiento en la cadena molecular de los átomos. En consecuencia de esto se dan los fenómenos de la aleación, disolución, etc.

Entonces podemos decir que el calor al ser una vibración podemos decir que al entrar en contacto un material, cualquiera que fuera este con otro material diferente a diferentes temperaturas, la diferencia entre sus temperaturas hará que el calor vibre hasta alcanzar un punto de equilibrio de sus vibraciones entre ambos materiales, a lo cual puede llamársele como equilibrio térmico.

Convección

La convección es una de las tres formas de transferencia de calor, y esta sucede por medio de un fluido en movimiento que esta en contacto con una superficie solida. Por lo tanto podemos definir la convección como la transferencia de calor a un sólido por medio de un fluido que esta en movimiento con un diferencial de temperaturas entre ambos medios.

La convección es el medio de transferencia de calor más rápido, esto se debe a que cuando hay un movimiento de un fluido  este transfiere o absorbe mucho mejor el calor debido a que conduce mas rápido el calor o lo absorbe mas rápido a que si solo estuviera estático.

Cuando tenemos dos cuerpos en contacto a diferentes temperaturas, el que tiene la temperatura más alta le transferirá calor al cuerpo que tiene menor cantidad de calor, perdiendo el primero algo de su calor hasta llegar en equilibrio con el segundo cuerpo. A ese fenómeno se le llama equilibrio térmico. Pero si ahora consideramos que en lugar de poner dos cuerpos a diferentes temperaturas en contacto directo y estático, utilizamos un fluido en contacto con un cuerpo, y a dicho fluido le añadimos movimiento, este transferirá mas rápido su calor al segundo cuerpo llegando al equilibrio térmico de forma más rápida y uniforme. Este fenómeno es la transferencia de calor por  convección. Cuan más rápido se mueva el fluido sobre la superficie, mas rápido le transmitirá calor.

Lo que sucede en la convección puede explicarse con el fenómeno de la “capa limite”. Al entrar en contacto  el fluido con una temperatura diferente a la de un sólido, cualquiera que fuera este, lo primero en variar su temperatura serán las superficies del sólido y el fluido en cuestión. Al adentrarnos mas en el fluido notaremos que solo la superficie de este vario de temperatura, pero como el interior del fluido se encuentra a una temperatura diferente a la de la superficie, la superficie tratará de alcanzar el equilibrio térmico intercambiando su temperatura con el interior del fluido, pero a su vez se creara una nueva superficie a la que llamaremos “capa” y esta estará ahora a una temperatura diferente a la de la superficie y hacia lo que se encuentra dentro de esta capa, por lo tanto tratara de encontrar su equilibrio térmico con la siguiente capa mas caliente, y así se comportara el fluido sucesivamente luchando por  alcanzar su equilibrio térmico. Si al fluido le damos un movimiento que permita que el intercambio de temperaturas sea más rápido, y al estar en contacto con una superficie  sólida, entonces la superficie se ira calentando de forma mas rápida debido a la velocidad con la que se alcanza el equilibrio térmico en el fluido.

Sin embargo si al fluido lo ponemos solo a una temperatura inicial no constante, aunque este en movimiento, llegará el punto en que el fluido obtenga un equilibrio térmico donde la temperatura inicial halla disminuido

La Caja Caliente es un aparato diseñado para determinar el coeficiente de transmisión de calor y resistencia térmica de paneles de construcción (ASTM, 2011), (INEN, 2014), (ISO, 2010). Su funcionamiento se basa en mantener una diferencia de temperatura sobre ambas caras del espécimen, con propiedades térmicas conocidas, y a través del mismo permitir el paso de un flujo de calor constante.

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Ilustración 1.Diagrama de la metodología del diseño

Proceso de construcción

Los parámetros generales del proceso de acuerdo a criterios y recomendaciones de la norma ASTM C 1363, se asume lo siguiente:

Tamaño del aparato: el tamaño del aparato debe ser dimensionado en función del tipo de especímenes para la prueba. Dimensiones típicas de altura para la caja caliente son de 2.5 a 3 m con un ancho igual o mayor. El piso y el techo hasta 4 a 6 m de altura. Nunca deben ser las pérdidas mayores o iguales al 10% de la transferencia de calor del espécimen. Caja de medida: el tamaño mínimo del área de medida es 3 veces el cuadrado del espesor del espécimen o 1 m^2. Nunca deben ser las pérdidas mayores o iguales al 10% de la transferencia de calor del espécimen. La resistencia térmica de las paredes de la caja de medición debe ser mayor que 0.83 (m^2 K) ⁄W. La incertidumbre de la corrección de las pérdidas de las paredes de la caja de medición a la transferencia de calor neto, no debe exceder el 0.5 % del flujo de calor neto a través del espécimen. Todas las superficies que intercambien radiación con el espécimen deben tener una emisividad hemisférica mayor que 0.8. La transferencia de calor a través de la caja de medida debe ser uniforme para que el número limitado de transductores de flujo de calor, o termopares diferenciales, puedan ser usados para caracterizar el flujo de calor para cada área representativa. Los miembros estructurales no deben ir sin sus respectivos aislamientos. Se deben evitar puentes térmicos, grietas estructurales, agujeros de aislamientos, fugas de aire y lugares localizados de calor dentro de las paredes de la caja de medición. Debe existir un sello hermético entre las paredes de la caja de medida y el espécimen, en aplicaciones donde hagan contacto y tener un ancho máximo de 13 mm, medido paralelamente a la superficie plana del espécimen.

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