Mecanismos De Transferencia De Calor

Transmisión de calor

En todas las operaciones interviene la producción o absorción de calor

Naturaleza del flujo de calor: El flujo se produce en el sentido de la temperatura decreciente.

Conducción:

En sólidos resulta por el movimiento de los electrones no ligados. En sólidos que son malos conductores, y la mayor parte de los líquidos, la conductividad se debe al transporte de la cantidad de movimiento de las moléculas individuales. En gases se produce por el movimiento a azar de las moléculas de las zonas más calientes a las más frías.

Convección: Solo puede ocurrir cuando actúan fuerzas sobre la partícula o la corriente de fluido y mantienen su movimiento frente a las fuerzas de fricción.

Si las corrientes son consecuencia de flotación por diferencia de densidades, que a su vez se originan por gradientes de temperatura en la masa es natural. Si las corrientes se ponen en movimiento por un dispositivo, éste es independiente de los gradientes de velocidad y recibe el nombre de convección forzada.

Radiación: Transmisión de energía a través del espacio por medio de ondas electromagnéticas. Si en su camina encuentra material, se transmitirá, reflejará o absorberá, sólo la absorbida es la que aparece como calor y ésta es cuantitativa.

Los gases monoatómicos y diatómicos son transparentes a la radiación térmica, y es muy frecuente encontrarse con que el calor fluye a través de masas de tales gases por radiación y por conducción-convección. La radiación se hace importante a temperaturas elevadas y es independiente de las circunstancias del flujo del fluido.

Transmisión de calor por conducción en sólidos:

Ley de Fourier:

La relación básica del flujo de calor por conducción es la proporcionalidad existente entre la velocidad de flujo de calor a través de una superficie isotérmica y el gradiente de temperatura existente en dicha superficie. Esta generalización, que es aplicable a cualquier lugar del cuerpo y en cualquier instante.

El signo negativo refleja el hecho físico de que el flujo de calor se produce de mayor a menor temperatura.

La ecuación es utilizable para el flujo de calor a través de una superficie cualquiera, no necesariamente isotérmica, con tal de que el área A sea el área de la superficie, y la longitud del camino esté medida en dirección normal a la superficie.

Esta extensión de la ley de Fourier es de gran importancia para el estudio de los flujos bi y tridimensionales, donde los flujos de calor siguen líneas curvas en vez de rectas.

La conducción que tiene lugar con una distribución constante de temperatura recibe el nombre de conducción en estado estacionario.

Conductividad calorífica:

La constante de proporcionalidad k es una propiedad de la sustancia que se denomina conductividad calorífica.

La ley de Fourier establece que k es independiente del gradiente de temperatura, pero no de la temperatura en sí. La experiencia confirma la independencia de k en un amplio intervalo de gradientes de temperatura, excepto para sólidos, donde la radiación entre las partículas, que no sigue una ley lineal con la temperatura, es responsable de una parte importante del flujo total de calor.

Las conductividades caloríficas varían en un amplio intervalo; son muy elevadas para los metales y muy bajas para materiales finamente pulverizados de los que se ha extraído el aire.

Conducción en estado estacionario: Puesto que la conducción tiene lugar en estado estacionario, no hay acumulación ni vaciamiento de calor en el interior.

Resistencias compuestas en serie: En el flujo de calor a través de una serie de capas, la resistencia térmica global es igual a la suma de las resistencias individuales.

En un circuito térmico las diferencias de temperatura, cuya relación con la caída total de temperatura es igual a la relación entre las resistencias térmicas individuales y la resistencia térmica total.

Conducción de calor en estado no estacionario:

Ecuación para la conducción unidimensional:

El área de la lámina situada a la distancia x, perpendicularmente al flujo de calor, y k la conductividad calorífica del sólido.

La diferencia entre la cantidad de calor que entra y la que sale, que corresponde a la acumulación de calor en la capa dx La acumulación de calor en la lámina provoca un aumento de temperatura de la misma. Si el calor específico y la densidad de la lámina son cp y p, respectivamente, la acumulación es igual al producto de la masa por el calor específico y por el incremento de temperatura.

Aplicando un balance de calor:

El término a de la Ecuación recibe el nombre de difusiuidud térmica del sólido y es una propiedad del material.

Las distribuciones de temperatura en sólidos heterogéneos de forma compleja se obtienen mediante analogías hidráulicas o eléctricas, o bien utilizando métodos aproximados de cálculo numérico.

Sólido semiinfinito:

A veces los sólidos se calientan o se enfrían de tal forma que las variaciones de temperatura del material se producen casi exclusivamente en la región inmediata a la superficie. En estas condiciones se puede considerar que el calor penetra en un sólido de espesor prácticamente infinito. Se observa que la temperatura de la superficie caliente presenta una brusca discontinuidad inmediatamente después de la exposición, mientras que la temperatura de los puntos interiores varía progresivamente a medida que transcurre el tiempo.

Considerando: La difusividad térmica, la distancia a la superficie y el tiempo contado a partir del momento en que se modifica la temperatura de la superficie.

La ecuación indica que en un tiempo cualquiera después que se ha modificado la temperatura de la superficie se producirá alguna variación en todos los puntos del sólido por muy alejados que estén de la superficie caliente. Sin embargo, la variación real que tiene lugar en los puntos distantes es muy pequeña y puede despreciarse. Más allá de una cierta distancia de la superficie caliente no penetra la suficiente cantidad de calor para modificar la temperatura en una forma apreciable.

Fundamentos del flujo de calor en fluidos:

El flujo de calor desde un fluido a través de una pared sólida hasta un fluido más frío se encuentra con frecuencia en la práctica de la ingeniería. El calor transmitido puede ser calor latente, que va acompañado de un cambio de fase tal como vaporización o condensación, o bien puede ser calor sensible procedente del aumento o disminución de la temperatura de un fluido sin cambio de fase.

Equipo típico para intercambio de calor:

Con el fin de establecer una base adecuada para el tratamiento de la transmisión de calor desde y hacia fluidos en movimiento, consideremos el sencillo cambiador tubular. Consiste esencialmente en una bancada de tubos paralelos, cuyos extremos terminan en las placas tubulares La bancada de tubos está dentro de una carcasa cilíndrica y está provista de dos canalizaciones, una en cada extremo, y dos tapaderas. Vapor de agua, u otro vapor, se introduce a través de la boquilla en el espacio del lado de la carcasa que rodea a los tubos, condensa y es retirado a través de la conducción, mientras que algo de gas no condensable que puede entrar con el vapor condensante se retira del sistema a través de la purga. La conducción lleva a una trampa, que es un dispositivo que permite que fluya el líquido pero en cambio retiene al vapor. El fluido que ha de calentarse se bombea a través de la conexión hacia el interior del canal. Fluye a través de los tubos hasta el canal, y finalmente descarga por la conexión T. Los dos fluidos están físicamente separados pero están en contacto térmico con las paredes metálicas de los tubos que los separan. El calor fluye a través de las paredes de los tubos desde el vapor condensante hasta el fluido más frío que circula por los tubos.

Si el vapor que entra en el condensador no está sobrecalentado y el condensado no se enfría por debajo de su temperatura de ebullición, la temperatura en todo el lado de la carcasa del condensador es constante. La razón de este hecho es que la temperatura del vapor condensante está fijada por la presión en el espacio de la carcasa, y la presión en dicho espacio es constante. La temperatura del fluido que circula por los tubos aumenta continuamente a medida que avanza por los mismos.

En un condensador solamente hay una variación de temperatura, que es el del fluido que se calienta.

Un segundo ejemplo de un equipo sencillo de transmisión de calor es el cambiador de tubos concéntricos. Está formado por una tubería normal de metal y unos codos y cabezales de retorno equipados con cajas prensaestopas. Un fluido circula por el tubo interior y el segundo por el espacio anular comprendido entre las tuberías interior y exterior. La función de un cambiador de calor es aumentar la temperatura de un fluido más frío y disminuir la de otro más caliente.

Flujos en corrientes paralelas y en contracorriente.

En el cambiador los dos fluidos entran por diferentes extremos del cambiador y circulan a través de la unidad en sentidos opuestos. Este tipo de flujo es el que se utiliza habitualmente y recibe el nombre de flujo en contracorriente o simplemente contracorriente.

Si los dos fluidos entran por el mismo extremo del

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