Transferencia De Calor

CAPITULO I

INTRODUCCIÓN A LA TRANSFERENCIA DE CALOR

1.1. Generalidades

La Transferencia de calor es la energía en tránsito debido a una diferencia

de temperaturas en un cuerpo o entre cuerpos diferentes.

Siempre que exista una diferencia de temperatura, la energía se transfiere

de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura

De acuerdo con los conceptos de la Termodinámica, la energía que se

transfiere como resultado de una diferencia de temperatura es el calor.

- Las leyes de la termodinámica tratan de la transferencia de energía,

pero sólo se aplican a sistemas que están en equilibrio (pueden

utilizarse para predecir la cantidad de energía requerida para modificar

un sistema de un estado de equilibrio a otro), pero no sirven para

predecir la rapidez (tiempo) con que pueden producirse estos cambios.

- La transferencia de calor, complementa los principios termodinámicos,

proporcionando métodos de análisis que permitan predecir esta

velocidad de transferencia térmica.

Ejemplo:

El calentamiento de una barra de acero inmersa en agua caliente, los

principios termodinámicos se pueden utilizar para predecir las temperaturas

finales una vez los dos sistemas hayan alcanzado el equilibrio y la cantidad

de energía transferida entre los estados de equilibrio inicial y final, pero

nada nos dice respecto a la velocidad de la transferencia térmica o la

temperatura de la barra al cabo de un cierto tiempo, o del tiempo que haya

que esperar para obtener una temperatura determinada en una cierta

posición de la barra.2

Realizando un análisis de la transmisión de calor, permite predecir la

velocidad de la transferencia térmica del agua a la barra y de esta

información se puede calcular la temperatura de la barra, así como la

temperatura del agua en función del tiempo.

- Para proceder a realizar un análisis completo de la transferencia del

calor es necesario considerar tres mecanismos diferentes: conducción,

convección y radiación.

- El diseño y proyecto de los sistemas de un intercambio de calor y

conversión energética requieren de cierta familiaridad con cada uno de

estos mecanismos, así como de sus interacciones.

1.2. TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONDUCCIÓN

La conducción, es el único mecanismo de transmisión de calor posible en los

medios sólidos opacos, cuando en estos cuerpos existe un gradiente de

temperatura. El calor se trasmite de la región de mayor temperatura a la de

menor temperatura, debido al movimiento cinético o el impacto directo de

las moléculas como en el caso de los fluidos en reposo o por el arrastre

de los electrones como sucede en los metales.

La ley básica de la conducción del calor (Joseph Fourier), establece: “La

tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada

es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al

gradiente de temperatura en esa dirección”.

 w

h

BTu

x

T

QX K A ,





  …………….…….………….. (1,1)

2 2 ,

.

x

x

Q T

q K BTu w

A x h pie m

  

        .……………… (1,2)

Donde: Qx = Tasa de flujo de calor a través del área A en la dirección

positiva.3

  é ,

, .

w BTu k Conductividad t rmica m k h pie R 



A = área de sección transversal de la transferencia de calor

T

x





= gradiente de temperatura

El flujo real de calor depende de la conductividad térmica (k), que es una

propiedad física del cuerpo

El signo (-) es consecuencia del segundo principio de la termodinámica,

según el cual el calor debe fluir hacia la zona de temperatura mas baja. El

gradiente de temperatura es negativo si la temperatura disminuye para

valores crecientes de x, por lo que el calor transferido de la dirección

positiva debe ser una magnitud positiva, por lo tanto, al segundo miembro

de la ecuación anterior hay que introducir un signo negativa, esto se puede

ver en la figura Nº 1)

Fig. Nº 1.1. Signos para la transmisión de calor por conducción

Fuente: Elaboración propia Ing. Alberto Emilio Panana Girio

1.3. TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONVECCIÓN

Cuando un fluido a TF se pone en contacto con un sólido cuya superficie de

contacto está a una temperatura distinta TS, al proceso de intercambio de

energía térmica se denomina CONVECCIÓN.4

Existen dos tipos de convección:

a) Convección libre o natural, ocurre cuando la fuerza motriz procede de

la variación de densidad en el fluido como consecuencia del contacto

con una superficie a diferente temperatura, lo que da lugar a fuerzas

ascensionales, el fluido próximo a la superficie adquiere una velocidad

debida únicamente a esta diferencia de densidades, sin ninguna fuerza

motriz exterior.

Ejemplo: La convección en un tanque que contiene un líquido en

reposo en el que se encuentra sumergida una bobina de

calefacción.

b) Convección forzada, tiene lugar cuando una fuerza motriz exterior

mueve un fluido con una velocidad (v), sobre una superficie que se

encuentra a una temperatura Ts mayor o menor que la del fluido Tf,

como la velocidad del fluido en la convección forzada es mayor que en

la convección natural, se transfiere por lo tanto, una mayor cantidad de

calor para una determinada temperatura.

Independiente de que la convección sea natural o forzada, la cantidad

de calor transmitido Qc, se puede escribir (Ley de enfriamiento de

Newton)

( ) QC  h A TS TF ………… (1,3)

Donde: h = Coeficiente de transmisión del calor por convección en la

interface líquido – sólido (w/m2

.k)

A = Área superficial en contacto con el fluido (m2

)

La ecuación anterior sirve como definición de (h), su valor numérico se

tiene que determinar analítica o experimentalmente. En la figura adjunta

se puede visualizar el perfil de un fluido adyacente a una superficie

sólida5

Figura N° 1.2 Distribución de la temperatura y velocidad de un fluido

sobre una placa plana en convección forzada

Fuente: Elaboración propia, Ing. Alberto Emilio Panana Girio

 El coeficiente de transmisión de calor por convección forzada

depende en general, de la densidad, viscosidad, de la velocidad del

fluido, de las propiedades térmicas del fluido (K, Cp), es decir

  CP

h  f ,,v,k, ……………… . (1,4)

 En la convección forzada la velocidad viene impuesta al sistema

con una bomba, ventilador y se puede medir directamente

v

F

Q V

A

 ……………………… …… (1,5)

 En la convección natural, la velocidad es de la forma

v  f (T,, g) , es decir depende de:

∆T = diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido

β = Coeficiente de dilatación térmica del fluido, que determina el

cambio de densidad por unidad de diferencia de temperatura.

g = Campo de fuerzas exteriores, en general es la gravedad

 El número adimensional característico para la convección natural es

el número de Grashoff (Gr)6

3

2

T L

V

g

Gr  

 ………………………. (1,6)

 El número adimensional para la convección forzada es el número

de Reynolds (#Re)

. . . #Re V D V D

 

 

……………………….. (1,7)

Donde: ρ = densidad del fluido, ( kg/m3

)

µ = viscosidad dinámica del fluido, (kg/m.s)

ν = viscosidad cinemática del fluido (m2

/s)

V = velocidad media del fluido, (m/s)

D = diámetro del tubo, (m)

1.4.Transmisión de Calor por Radiación

Mientras que la conducción y la convección térmica tienen lugar sólo a

través de un medio natural, la Radiación térmica puede transportar el calor

a través de un fluido o del vacío, en forma de ondas electromagnéticas o

fotones como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas

de los átomos o moléculas, estos se propagan a la velocidad de la luz.

La cantidad de energía que abandona una superficie en forma de calor

radiante depende de la temperatura absoluta a la que se encuentra y

también la naturaleza de la superficie.

El radiador perfecto o cuerpo negro, emite una cantidad de energía

radiante de su superficie, Qr

Qr  AT  AEb

4

 …………………….. (1,8)

Eb = poder emisivo del radiador.

 = constante dimensional de Stefan – Boltzmann

5, 67 x 10-8 w/m2

.K4

para el sistema Internacional (SI)

0, 1714 x 10-8 Btu/h pie2

. R

4

para el sistema americano de ingeniería

La ecuación anterior dice:

...