La transferencia de calor

Índice

Capitulo II:  Marco teórico

1. Introducción

        La transferencia de calor es un fenómeno que corresponde al traspaso de energía térmica, este fenómeno se representa a través de la propiedad de la temperatura entre dos cuerpos o dos posiciones de un mismo cuerpo.

        Los mecanismos de transferencia de calor para las condiciones de temperatura específicas para esta situación y determinadas para un intercambiador de calor de tipo tubo-carcasa aislado al ambiente son el mecanismo de conducción y convección, despreciándose el mecanismo de radiación.

1. Transferencia de calor por conducción

        El mecanismo de conducción consiste en el traspaso de energía térmica entre dos cuerpos sólidos en contacto o dos posiciones espaciales de un mismo cuerpo que se encuentran a un distinto nivel energético, estos niveles son representadas por distintas temperaturas, este traspaso energético, se produce desde el mayor nivel térmico (mayor temperatura) hacia el cuerpo o zona de menor nivel energético (menor temperatura).

El modelo matemático que representa este fenómeno fue descrito por Jean Baptiste Fourier y se denomina Ley de Fourier, y plantea que para una pared sólida con una área transversal al flujo de calor y con un espesor (e), en que una de sus caras se encuentra a una temperatura (T1), mayor a la existente en la otra cara (T2), el flujo de calor (q) resulta inversamente proporcional al gradiente de temperatura con respecto de la posición () y directamente proporcional al área de intercambio de calor y a una constante característica o propiedad de la sustancia que conforma la pared (k), por lo tanto la denominada Ley de Fourier queda determinada en la siguiente expresión:[pic 1]

Donde:

De otra forma la ley de Fourier puede quedar expresada también:

Donde:

El signo menos se inserta para que se satisfaga la segunda ley de la termodinámica, es decir, el calor deberá fluir desde la región de mayor temperatura hacia la región de menor temperatura.

1. Transferencia de calor por convección

        El mecanismo de transferencia de calor por convección consiste en el traspaso de energía entre un fluido y un medio solido, este traspaso de energía ocurre en dos formas, las que son el intercambio de energía térmica y el cambio de la cantidad de movimiento o impulso del fluido debido a los efectos viscosos que se presentan al entrar en contacto con el cuerpo solido, de modo que, la energía intercambiada entre el fluido y el cuerpo solido, en la practica es la suma de estas dos formas energéticas, no diferenciándose entre los dos tipos, considerándose así el valor total de la energía intercambiada como el flujo de calor que fluye desde el medio de mayor temperatura hacia el medio de menor temperatura.

        El modelo matemático que representa a este fenómeno fue descrito por Isaac Newton y se denomina Ley de enfriamiento de Newton y plantea que para un fluido viscoso a cierta temperatura (), que escurre por sobre un cuerpo solido a una diferente temperatura superficial (), el flujo de calor (q) intercambiado es directamente proporcional, al valor absoluto de la diferencia de las temperaturas y a un factor denominado coeficiente pelicular convectivo medio (), éste coeficiente depende de las condiciones de escurrimiento, del tipo de fluido, las que impulsan el movimiento entre otras, por lo tanto la Ley de enfriamiento de Newton queda determinada de la siguiente forma:[pic 11][pic 12][pic 13]

Donde:

1. Intercambiadores de Calor

Los intercambiadores de calor son equipos mecánicos en los cuales se produce la transferencia de calor entre dos fluidos, este proceso puede maximizar su intercambio energético si a los fluidos se le entregan las condiciones adecuadas como el área de intercambio de calor, los regímenes de velocidades y las diferencias de temperatura adecuadas.

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