Primera ley de la termodinámica y aplicaciones en la ingeniería

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Primera ley de la termodinámica y aplicaciones en la ingeniería

Javier Montenegro

Marzo 2021

Universidad de los Llanos

Villavicencio. Meta

Transferencia de Calor

Resumen

En el presente trabajo de investigación, se explicara acerca de la importancia de las aplicaciones en la ingeniería agroindustrial de la transferencia de calor, con mucha teoría que se fundamenta, en la parte de los ejercicios prácticos de los equipos más influyentes en esta  rama de la termodinámica. Entre los equipos que se tratarán en este escrito se encuentran intercambiadores de calor, pasteurizadores, calderas y torres de enfriamiento. Estas máquinas son muy importantes en toda la industria en general, especialmente la de alimentos porque hoy en día se necesita optimizar todos los procesos para poder reducir los costos de energía y del dinero que se invierte en estos.

Contenido

Introducción a la transferencia        4

Aplicación en equipos        9

Ejercicios prácticos        19

Conclusiones        23

Referencias        24

Introducción a la transferencia

La transferencia de calor es el proceso físico de propagación del calor en distintos medios. La subdisciplina de la física que estudia estos procesos se llama a su vez termodinámica, la transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente térmico en un sistema o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto. El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio térmico, es decir, hasta que se igualan las temperaturas. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos cercanos o regiones lo suficientemente próximas se transfiere calor más rápido.

El estudio de la transferencia de calor se aplica en industrias químicas en etapas como la evaporación y secado. La evaporación consiste en eliminar una gran cantidad de agua mientras que el secado consiste en eliminar una baja cantidad de agua por lo que la transferencia de calor es menor para el secado que para la evaporación. Esto ocurre porque el calor latente es el que más prepondera en las ecuaciones de transferencia de calor. La transferencia de masa también acompaña a la transferencia de calor en las operaciones mencionadas.

El calor es la forma de la energía que se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia en la temperatura. En palabras de Cengel la ciencia que trata de la determinación de las razones de esa transferencia es la transferencia de calor. De acuerdo con Ozisik la transferencia de energía por flujo de calor no puede ser medida directamente, pero el concepto tiene un significado físico porque está relacionado con la cantidad medida llamada temperatura. En los estudios de transferencia de calor, es común considerar tres modos diferentes de transferencia de calor: conducción, convección y radiación

La Termodinámica es la ciencia que estudia la transferencia de calor. Siempre que existe un gradiente térmico en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferentes temperaturas, se transfiere energía entre ellos o las temperaturas se mantienen constantes punto a punto en el sistema. El cumplimiento del primer principio de la termodinámica y descartada la presencia de trabajo con el exterior, la variación de energía interna solo puede ser debida a calor, que es la energía en movimiento o en tránsito. El trabajo se manifiesta por el movimiento de un eje que invierte una máquina sobre el sistema o el sistema lo invierte sobre la máquina.

Pero los parámetros solo representarán magnitudes si se dispone de un dispositivo de medición corresponden las condiciones de flujo a uno estacionario o transitorio. La termodinámica por lo tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en función de sus diferencias de temperaturas determina la cantidad de energía transferida de un estado al otro, pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor. Los fenómenos de transporte se encargan de estudiar los sistemas físicos en los que ocurren transferencias o transportes de propiedades considerando los mecanismos de flujo de calor y la velocidad de transferencia de calor. El alcance del análisis termodinámico es calcular los flujos de calor pero no la velocidad de transferencia de calor ni tampoco considerar los mecanismos para transmitir el calor por ello es que los fenómenos de transporte poseen un campo de estudio más amplio dado por la especialización en la ciencia.

Lavoisier afirmaba en su teoría del calórico que el calor es una sustancia parecida a un fluido como un líquido o gas como se muestra en la figura. Este fluido se llama calórico que no contiene masa, color, olor y es insípido y se puede transferir entre varios cuerpos de uno a otro.  Al agregar calórico a un cierto cuerpo, la temperatura que se percibía en este aumentaba y cuando se le quitaba calórico, su temperatura disminuía. El químico francés afirmó que existía un punto de saturación con calórico, esto debido a que el cuerpo estudiado no podía contener más calórico. Gracias a esto se dio origen a los conceptos de líquido saturado y vapor saturado. La teoría anterior no tardó en ser criticada ya que sostenía que el calor es una sustancia que no se puede crear ni destruir, sin embargo, se podía generar calor al frotar las manos o trozos de madera. El calórico fue desafiado por varios científicos como Benjamin Thomson donde demostró que se puede generar calor a través de la fricción. Pero lo que convenció a los escépticos de que el calor no es una sustancia fueron los experimentos hechos por James Prescott Joule como se ven en la figura, un físico británico que demostró el equivalente entre la energía mecánica y la energía térmica, lo cual estableció las bases del principio de la conservación de la energía, donde la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma.

Unidades básicas:

En el desarrollo de la transferencia de calor se utilizan principalmente las dimensiones dadas por el sistema internacional S.I que son:

 M = masa

 F = fuerza

t = tiempo

T = temperatura  

L= longitud  

Tipos de transferencia de calor:

Por conducción: Cuando en un medio sólido existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura. El calor transmitido por conducción por unidad de tiempo qk es proporcional al gradiente de temperatura dT/dx multiplicado por el área A a través del cual se transfiere es decir:

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T: temperatura; x dirección del flujo de calor

El flujo de calor depende de la conductividad térmica k que es la propiedad física del medio [W/m K], luego se tiene

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El calor por conducción se produce cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en contacto. El calor fluirá a través del objeto de mayor temperatura hacia el de menor buscando alcanzar el equilibrio térmico (ambos objetos a la misma temperatura).

Un ejemplo lo tenemos a la hora de cocinar. Cuando estamos cocinando en una sartén, si se nos ocurre dejar un cubierto metálico apoyado en el borde, al cogerlo notaremos que se ha calentado (incluso puede que nos quememos). El calor se ha transferido de la sartén al cubierto por conducción

Por convección: La convección es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y el líquido o gas adyacentes que están en movimiento y comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento de fluidos. Entre más rápido es el movimiento de un fluido, mayor es la transferencia de calor por convección. En ausencia de cualquier movimiento masivo de fluido, la transferencia de calor entre una superficie sólida y el fluido adyacente es por conducción pura. La presencia de movimiento masivo del fluido acrecienta la transferencia de calor entre la superficie sólida y el fluido, pero también complica la determinación de las razones de esa transferencia.

La convección recibe el nombre de convección forzada si el fluido es forzado a fluir sobre la superficie mediante medios externos como un ventilador, una bomba o el viento. Como contraste, se dice que es convección 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 variación de la temperatura en ese fluido.

Para expresar el efecto global de la convección, se utiliza la ley de Newton del enfriamiento:

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 Para algunos sistemas puede hacerse un cálculo analítico de h. En situaciones complejas debe determinarse experimentalmente. Algunas veces, al coeficiente de transferencia de calor se le denomina conductancia de película, a causa de su relación con el proceso de conducción en una capa de fluido delgada y estacionaria en la superficie de la pared. De la Ecuación anterior se deduce que las unidades de h son vatios por metro cuadrado y por grado Celsius, cuando el flujo de calor se expresa en vatios.

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