Transmicion De Calor
Angelvirginia1 de Marzo de 2015
2.120 Palabras (9 Páginas)271 Visitas
IV.- TRANSMISIÓN DE CALOR
http://libros.redsauce.net/
IV.1.- CONDUCCIÓN TÉRMICA
La temperatura es una propiedad intrínseca de la materia, que indica el nivel de energía de sus moléculas.
Cuanto más elevada es la temperatura, mayor es la energía cinética o actividad molecular de la
sustancia en cuestión. La conducción molecular del calor es simplemente una transferencia de energía
debida a una diferencia de temperaturas, entre moléculas de una sustancia sólida, líquida o gaseosa.
La transferencia de calor por conducción se evalúa por medio de la ley de Fourier, de la forma:
Qk = - k A dT
dx
El flujo de calor
€
qk es positivo cuando el gradiente de temperatura
€
dT
dx es negativo, resultado que
es congruente con el Segundo Principio de la Termodinámica, e indica que el calor fluye en la misma dirección
que las temperaturas decrecientes.
La conductividad térmica k es una propiedad del material que caracteriza su posibilidad de conducir
o transmitir calor; en la Tabla IV.1 se indican algunos valores de conductividades térmicas.
Otra forma de la ecuación de Fourier, es
Qk = k A
L (T1- T2 ), en la que el término
€
L
k A se denomina
resistividad térmica
€
Rk.
En régimen permanente las temperaturas varían de un punto a otro del sistema, pero la temperatura
de cada uno de los puntos permanece inalterable en el tiempo.
Tabla IV.1.- Conductividad térmica k de algunos materiales comunes
Materiales Btu/ft.h.ºF W/mºC
Gases a presión atmosférica 0,004 a 0,7 0,007 a 1,2
Materiales aislantes 0,01 a 0,12 0,02 a 0,21
Líquidos no metálicos 0,05 a 0,4 0,09 a 0,7
Ladrillo, piedra, hormigón (Sólidos no metálicos) 0,02 a 1,5 0,04 a 2,6
Metales líquidos 5 a 45 8,6 a 78
Aleaciones 8 a 70 14 a 121
Metales puros 30 a 240 52 a 415
IV.-95En régimen transitorio la conducción de calor implica un almacenamiento de energía térmica. Por
ejemplo, en el calentamiento de un hogar hay que suministrar el calor suficiente para elevar la temperatura
de las paredes hasta sus nuevos valores de operación y aportar el calor que compense las pérdidas
en régimen permanente para el funcionamiento normal.
En las calderas de gran potencia que operan continuamente durante prolongados períodos de tiempo,
el calor almacenado en las paredes y en el metal de la caldera es una fracción insignificante del aporte
total de calor.
En las calderas pequeñas, con cerramientos de refractario y que funcionan a tiempo parcial o, incluso,
en aquellas calderas con hogares que frecuentemente se calientan y enfrían en operación discontinua,
la energía almacenada en las paredes durante la puesta en servicio, puede ser una fracción considerable
del aporte total de calor.
La conducción en régimen transitorio tiene mucha importancia en la igualación de temperaturas en
el calderín de vapor de la caldera, durante los períodos de aumento o disminución de presión de la unidad.
En aquella parte del calderín que se encuentra por debajo del nivel de la superficie libre del agua, la
superficie interior del mismo está calentada por su contacto con el agua de la caldera, mientras que la
superficie interior del calderín de vapor que se encuentra por encima de dicha superficie libre del agua,
está calentada por la condensación del vapor situado sobre el citado nivel.
Durante un período transitorio de calentamiento, las temperaturas interior y exterior de la superficie
del calderín de vapor aumentan por conducción, de forma que la diferencia de temperaturas a través
de la pared del calderín, son mayores que las correspondientes a los períodos en régimen permanente, lo
que implica solicitaciones mayores, por lo que hay que controlar el incremento de temperatura y presión,
con el fin de mantener siempre las solicitaciones térmicas dentro de unos límites aceptables, a
efectos de proteger el calderín de vapor.
Durante los períodos de reducción de presión, la superficie interior del calderín que se encuentra bajo
el nivel de agua, está refrigerada por el agua de la caldera; la parte alta del calderín por encima del nivel
de agua, se refrigera por radiación por el flujo de vapor hacia las conexiones de salida y por la conducción
a través de la propia pared del mismo.
La conducción transitoria se presenta en todos los procesos de calentamiento, en los que la temperatura
varía con el tiempo, por lo que el análisis de la conducción se complica; para un flujo transitorio,
la ecuación de energía térmica unidimensional, es:
∇2T = 1
α
∂T
∂t siendo:
α = k
ρ cp
, la difusividad térmica.
En coordenadas cilíndricas:
1
r
∂
∂r ( r
∂T
∂r ) = 1
α
∂T
∂t
En coordenadas esféricas:
1
r 2
∂
∂r (r 2 ∂T
∂r )+ 1
r 2 sen θ
∂
∂θ (sen θ ∂T
∂θ)+ 1
r 2 sen 2θ
∂2T
∂Φ2 + E
k = 1
α
∂T
∂t
Coeficiente de conductividad térmica, calor específico y densidad.- La conductividad térmica
es una propiedad que depende de la composición química del material, y se expresa en Btu/fthºF ó
(W/mºK); en general, la conductividad térmica es más alta en los materiales sólidos, menor en los líquidos
y mucho más reducida en los gases.
- Metales puros.- La conductividad térmica decrece cuando aumenta la temperatura, mientras que
la conductividad de las aleaciones puede aumentar o disminuir con la temperatura.
- Deposiciones de ceniza.- Los valores de la conductividad térmica para una capa caliente de deposiIV.-96ción
de ceniza pueden variar mucho según sea la ubicación de la deposición en el interior del hogar de la
caldera; en las deposiciones de ceniza:
- La conductividad térmica efectiva varía entre:
0,03 a 0,29 Btu/ft.hºF
0,05 a 0,5 W/mº K
- La resistencia suele oscilar entre:
0 ,11 a 0 ,006 ft 2 hº F/Btu
0 ,02 a 0 ,001 m 2 º K/W
La conductividad térmica efectiva de las deposiciones de ceniza, para altas temperaturas, es similar
a la del aire y el CO2; a veces, está más próxima a la de la lana de vidrio, pero no supera los valores
correspondientes a los de materiales refractarios; aumenta con la temperatura y crece con la cantidad
de óxido de hierro presente en la deposición.
A) k = Cte ; B) k crece con el aumento de temperatura ; C) k disminuye con el aumento de temperatura
Fig IV.1.- Representación de la relación temperatura-espesor para diversas conductividades térmicas
- Agua.- Las propiedades del agua son relativamente insensibles a la presión, en particular para
presiones alejadas de la crítica. La conductividad térmica varía desde:
- 0,33 Btu/fthºF = (0,57 W/mºK), a la temperatura ambiente
- hasta 0,16 Btu/fthºF = (0,28 W/mºK), en las proximidades del punto crítico
- Líquidos no metálicos.- La mayoría de los líquidos no metálicos tiene una conductividad térmica
que disminuye cuando aumenta su temperatura, y varía entre
0,05 a 0,15 Btu/ft.hºF
0,09 a 0,26 W/mºK
- Gases.- Su conductividad térmica aumenta con la temperatura y para las condiciones que se presentan
normalmente en los generadores de vapor es independiente de la presión; disminuye cuando aumenta
su peso molecular. Así, la relativa alta capacidad del hidrógeno (gas de bajo peso molecular), lo ha
convertido en un buen medio refrigerante de alternadores.
- Materiales no homogéneos.- En el cálculo de la conductividad térmica de materiales no homogéneos,
se puede utilizar una conductividad térmica aparente, para tener en cuenta los poros de los materiales
constituidos por capas. La conductividad térmica de todos los materiales no homogéneos, depende mucho
de la densidad aparente.
- Paredes de refractario.- En calderas y hogares con paredes
...