transmision de calor

TRANSMISION DE
CALOR
INTRODUCCION
E. TORRELLA
1
CONCEPTO DE “CALOR”
El calor se origina a partir de otras formas de energía (I
Principio).
Principio)
El calor es energía en "tránsito", debido a una propiedad
de la materia denominada TEMPERATURA".
El II Principio indica que el paso del calor se realiza "DE
FORMA NATURAL" de las zonas de mayor a las de menor
temperatura.
Debido a que las fuentes de energía se encuentran
repartidas por todas partes, el calor se genera
universalmente, y su transmisión es un fenómeno tan
corriente como la "gravedad".
E. TORRELLA
2
1
DIFERENCIAS ENTRE TERMODINÁMICA
Y TRANSMISION DE CALOR
• La termodinámica se ocupa de la conservación de energía, y la dirección en
que ésta puede transferirse en buena parte de los casos en situaciones de
equilibrio La transferencia de calor nos permite determinar,
equilibrio.
determinar con respecto al
tiempo, la
energía transferida provocada por un desequilibrio de
temperaturas. Desde el punto de vista termodinámico interesa, básicamente,
la transferencia de energía global, hacia o desde un sistema (calor, trabajo, o
cualquier otra forma). Por ejemplo en el estudio de ciclos se está interesado
en la energía calorífica que va al sistema, el trabajo, y la eficiencia resultante.
No importa el tiempo o diferencia de temperaturas requeridos para llevar a
cabo la transferencia de energía.
• Por su parte, en transmisión de calor se plantean interrogantes tales como:
„
„
„
„
„
¿Cuál debe ser la diferencia de temperaturas para la transferir un determinado flujo
de calor?.
¿En unas condiciones dadas cuanto tiempo se requiere para la transmisión de una
energía determinada?.
¿Qué potencia se transmite en un sistema?.
¿Cuál debe ser la superficie de intercambio térmico a disponer para la absorción o
cesión de una potencia calorífica?.
¿Cuál es el campo de temperaturas asociado a un sistema en unas condiciones
conocidas?.
E. TORRELLA
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FORMAS DE TRANSMISIÓN DE CALOR
TIPOS
TRANSMISIÓN
CONDUCCIÓN
E. TORRELLA
CONVECCIÓN
RADIACIÓN
4
2
TRANSMISIÓN
DEL CALOR
CONCEPTO DE
"CALOR"
MODALIDADES
BASICAS
TRANSMISIÓN EN
SOLIDOS
A FLUIDOS EN
MOVIMIENTO
SIN SOPORTE
MATERIAL
CONDUCCIÓN
CONVECCIÓN
RADIACIÓN
LEY DE FOURIER
LEY DE NEWTON
LEY DE
STEFAN-BOLTZMANN
TRANSFERENCIA
CONJUNTA
E. TORRELLA
5
TRANSFERENCIA COMBINADA
Convección
Evapotran
nspiración
(Conv
vección)
Radiación
Conducción
E. TORRELLA
6
3
LA CONDUCCION
TERMICA
Pioneros
E. TORRELLA
7
INTRODUCCION
La conducción de calor es el mecanismo de transferencia
de energía térmica entre dos sistemas basado en el
contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia.
La conducción del calor, bajo un punto de vista
microscopio, es debida a los impactos elásticos de las
moléculas en los gases, a las ondas eléctricas
(oscilaciones longitudinales) en los líquidos y sólidos
dieléctricos y por último en los metales se produce
principalmente por la difusión de la nube de electrones
libres.
E. TORRELLA
8
4
Jean Baptiste Biot (1774-1862)
En 1804 formuló las leyes
de la conducción térmica
basadas en investigación
empírica.
Con Savart in 1820, mostró
que la fuerza magnética
debida a una corriente
podría
ser
expresada
matemáticamente (Ley de
Biot-Savart).
E. TORRELLA
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Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830)
Fourier estudió la teoría
matemática
de
la
transmisión de calor por
conducción, estableciéndo
la ecuación diferencial y
resolviéndola
usando
infinitas series de funciones
trigonométricas,
hoy
conocidas como series de
Fourier.
En 1822 publicó “Théorie
analytique de la chaleur”.
E. TORRELLA
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5
Pierre Laplace (1749-1827)
Con Lavoisier, cuya teoría
del “calórico”
calórico
compartía,
determinó
el
calor
específico
de
varias
sustancias.
En 1783 Laplace sugirió
que ls trasnmisión de calor
se debía al movimiento de
moléculas en la materia.
materia
La ecuación denominada
de Laplace es una de las
que rigen el fenómeno de
transmisión de calor por
conducción.
E. TORRELLA
11
Siméon-Dennis Poisson (1781-1840)
Poisson
aplicó
las
matemáticas a diferentes
campos
de
la
física,
formulando la extensión de
la ecuación de Laplace
conocida como ecuación de
Poisson.
E. TORRELLA
12
6
Jean Marie Constant Duhamel (1797-1872)
Duhamel trabajó con ecuaciones
diferenciales
y
aplicó
p
sus
métodos a la teoría de la
transmisión de calor.
Su teoría de la transmisión de
calor en estructuras cristalinas se
basó en los trabajos de Fourier y
Poisson.
El p
principio
p
de Duhamel es
consecuencia de sus trabajos
sobre la distribución del calor en
un sólido con una condiciones de
contorno variables.
E. TORRELLA
13
Horatio Scott Carslaw (1870 - 1954)
Carslaw fué profesor de
matemáticas
en
la
Universidad de Sydney. Su
línea de investigación fué la
resolución teorica de la
transmisión de calor por
conducción.
E. TORRELLA
14
7
Ernst Schmidt (1892-1975)
Schmidt fué un científico
alemán pionero en el
campo de la ingeniería
termica.
Entre sus publicaciones
está
el
método
de
resolución
gráfica
en
conducción
"Graphical
Difference
Method
for
Unsteady Heat Conduction“
Es uno de los propulsores
del desarrollo de las tablas
de magnitudes térmicas del
vapor de agua.
E. TORRELLA
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LA CONVECCION
TERMICA
Pioneros
E. TORRELLA
16
8
INTRODUCCIÓN
El término convección proviene del verbo latino
“convecto
convecto-are
are” que significa llevar a un sitio.
sitio
Dentro de la transmisión de calor el concepto de
convección se refiere al proceso de “alejar”
energía térmica, desde (ó hacia) un sólido por
medio de un fluido adyacente en movimiento, en
presencia de un gradiente de temperaturas. El
fenómeno envuelve dos mecanismos:
La conducción de calor; entre el sólido y la capa
adyacente de fluido en reposo.
„ El movimiento de las partículas del fluido, alejándose del
sólido y dejando paso a otras del mismo fluido.
„
E. TORRELLA
17
Isaac Newton (1643-1727)
Ley de enfriamiento
q = h (T p − T f ) S
E. TORRELLA
Autor de “Tabula calorum”,
en la que enuncia su ley “La
La
cantidad
de
calor
transmitida por un cuerpo
caliente al ambiente en el
que se encuentra es
proporcional al exceso de
su temperatura respecto a
la del ambiente, a la
superficie de intercambio, al
tiempo, y a un coeficiente
de emisión”.
18
9
Jean Claude Eugene Peclet (1793-1857)
En 1829 Peclet publicó un
libro “Traité
Traité de la Chaleur et
de Ses Applications aux
Arts et aux Manufactures”.
En reconocimiento, uno de
los
números
adimensionales
en
convección
lleva
su
nombre.
E. TORRELLA
19
Franz Grashof (1826-1893)
Grashof
es autor de
diferentes
publicaciones
como
"Strength
of
Materials,"
"Hydraulics,"
"Theory of Heat," and
"General Engineering.“
En reconocimiento, uno de
los grupos adimensionales
en convección natural lleva
su nombre.
E. TORRELLA
20
10
Wilhelm Nusselt (1882 – 1957)
Su
tesis
doctoral,
de
1907,
"Conductivity of Insulating Materials“.
En 1915, Nusselt publicó un trabajo
“The Basic Laws of Heat Transfer” en
el que se proponía por primera vez
los grupos adimensionales en la
teoría de la semejanza para
transmisión de calor.
Otras líneas de su investigación
fueron la condensación de vapor
sobre superficies verticales, la
combustión de carbón pulverizado, y
la analogía entre transmisión de calor
y de masa en evaporación.
Asimismo es suya la solución
matemática en flujo laminar en el
interior de tubos, la teoría básica en
regeneradores …
E. TORRELLA
21
Ludwig Prandtl (1875-1953)
Autor, en 1904 de la teoría de la
p límite ((Boundaryy Layer).
y ) Su
capa
trabajo sobre alas de aviones fue
publicado en 1918.
También contribuyó en los
campos de flujo supersónico y
régimen
turbulento.
Otras
aportaciones pertenecen a los
campos de teoría de plasticidad y
metereología.
Un número adimensional en
convección térmica lleva su
nombre.
E. TORRELLA
22
11
Max Jakob (1879 – 1955)
Sus trabajos cubren un
amplio espectro en el
campo de la transmisión de
calor, vapor y aire a alta
presión, dispositivos de
medida de conductividad
térmica, mecanismos de
ebullición y condensación,
flujo en tuberías …
Es autor de unas 500
publicaciones entre libros,
artículos
y
diferentes
aportaciones.
E. TORRELLA
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Llewellen M.K. Boelter (1898 -1970)
Bien conocido por la
denominada correlación de
Dittus–Boelter, aplicable a
régimen turbulento interno.
Le fué concedido el MAX
JAKOB
MEMORIAL
AWARD en 1962.
E. TORRELLA
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12
Allan Philip Colburn (1904 – 1955)
Su
mas
conocida
aportación es la expresión
de semejanza para flujo
turbulento en tuberías con
régimen turbulento.
Otra de sus líneas de
investigación
es
la
condensación de vapor de
agua desde flujos de aire a
saturación.
E. TORRELLA
25
Kenneth J. Bell
Fundador y editor en jefe, durante
18 años,
del Heat Transfer
Engineering
Autor de “Heat Exchanger Design
for the Process Industries“, su
trabajo
versa
sobre
intercambiadores de calor, y
transmisión durante cambio de
estado (condensación y ebullición).
Es autor de mas de 100
publicaciones, destacando sus
aportaciones
p
al
estudio
de
intercambiadores
de
carcasatubos.
Le fué concedido el MAX JAKOB
MEMORIAL AWARD en 2003 .
E. TORRELLA
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13
LA RADIACION
TERMICA
Pioneros
E. TORRELLA
27
INTRODUCCION
Hablar de radiación térmica implica que sólo se está
interesado en la parte de la radiación que modifica la
temperatura de los cuerpos entre los que ésta se produce,
dichos cuerpos están interconectados a través de un
medio transparente o por el vacío. La radiación térmica es
la radiación electromagnética emitida por la superficie de
un cuerpo en virtud de su temperatura. Este cuerpo emite
una radiación electromagnética en todas direcciones que
al incidir sobre otro puede; en parte reflejarse, en parte
absorberse y el resto transmitirse a través de él. La parte
absorbida se transformará en energía térmica.
E. TORRELLA
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14
Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)
En 1860 Gustav Kirchhoff,
propuso
p
p
el concepto
p de “cuerpo
p
negro” como base del estudio de
la radiación térmica.
La Ley de Kirchhoff de la
radiación establece que la razón
del poder emisivo al poder
absorbente es la misma para
todos los cuerpos (a una
temperatura dada) e igual al
poder emisivo de un cuerpo
negro (a la misma temperatura).
E. TORRELLA
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Josef Stefan (1835-1893)
Su trabajo abarco temas como la
teoría cinética de gases,
la
hidrodinámica y especialmente la
radiación térmica.
Stefan, en 1879, obtuvo, de forma
experimental, la radiación del cuerpo
negro propuesto por Kirchhoff, y
concluyendo que la radiación de este
cuerpo era proporcional a la
temperatura absoluta a la cuarta
potencia. Esta conclusión es la
denominada ley de Stefan –
Boltzmann, a la cual llego Boltzmann
en 1884 desde consideraciones
En 1891, Stefan publicó un trabajo
sobre la formación de hielo en los
mares polares, dando una solución al
problema de con conducción no
lineal mas general que la debida a F.
Neumann.
E. TORRELLA
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15
Ludwig Edward Boltzmann (1844 -1906)
Uno de los logros importantes de
Boltzmann fue el hallazgo, en 1871,
d
de
l
lo
que se conoce como la
l
distribución Maxwell-Boltzmann. A
saber
la
energía
media
del
movimiento de una molécula es igual
para cada dirección. En este trabajo,
entrega un tácito reconocimiento a la
importancia
de
la
teoría
electromagnética de Maxwell.
El desarrollo que realizó Boltzmann
en 1884,
1884 sobre la ley empírica de
Josef Stefan , formulada en 1879
sobre la radiación del cuerpo negro.
En su trabajo, demostró que la
radiación de cuerpos negros podría
derivar de los principios de la
termodinámica.
E. TORRELLA
31
Lord Rayleigh (1842-1919)
Premio Nobel de Física en 1904
por su trabajo (junto a William
Ramsay) sobre el gas argon.
En 1900 Lord Rayleigh obtuvo la
derivación estadistica de la
radiacion del cuerpo negro para
bajas longitudes de onda.
Los temas tratados por Rayleigh
son muy numerosos incluyendo;
acústica, teoría de ondas, óptica,
p
electrodinámica,
electro
magnetismo, flujo de liquidos,
capilaridad, densidad de gases,
elasticidad…
E. TORRELLA
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16
Max Planck (1858-1947)
Su explicación en 1900, a la
edad de 42 años, de la
distribución de la radiación
electromagnética del cuerpo
negro y su estructura
cuántica
le
dio
fama
universal y hace que su
nombre figure en el elenco
de científicos memorables.
memorables
Por este descubrimiento fue
galardonado con el premio
Nobel de Física en 1918.
E. TORRELLA
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Wilhelm Wien (1864 – 1928)
Los trabajos que elaboró Wilhelm Wien
influyeron en el desarrollo de la teoría
por Max Planck.
cuántica introducida p
Recibió el Premio Nobel de Física en
1911
por
sus
descubrimientos
relacionados con las leyes de la radiación
de calor.
Wien centró su actividad científica, a partir
del año 1890, en los campos teórico y
experimental, en la investigación referida
a las leyes de la irradiación de calor y en
la
realización
de
investigaciones
encaminadas
a
la
medición
de
temperaturas
muy
bajas
y
extremadamente
t
d
t altas.
lt
Su principal descubrimiento es la ley del
desplazamiento
«Ley
de
Wien»,
descubierta en 1894. Se trata de una ley
que permite expresar cuantitativamente
los cambios que se producen, con las
variaciones de la temperatura, en el
espectro de un cuerpo.
E. TORRELLA
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17
MAX JAKOB MEMORIAL AWARD
El “Nobel” de la transmisión de calor
1961 Ernest R. Eckert, U.S.A.
1962 Llewellyn M.K. Boelter, U.S.A.
1963 William H. McAdams, U.S.A
1964 Ernest
E
t Schmidt,
S h idt Germany
G
1965 Hoyt C. Hottel, U.S.A.
1966 Sir Owen Saunders, U.K.
1967 Thomas B. Drew, U.S.A.
1968 Shiro Nukiyama, Japan
1969 S. S. Kutateladze, U.S.S.R.
1970 Warren M. Rohsenow, U.S.A.
1971 James W. Westwater, U.S.A.
1972 Karl A. Gardner, U.S.A.
1973 Ulrich Grigull, Germany
1974 Peter Grassmann, Switzerland
1975 Robert G. Deissler, U.S.A.
1976 Ephraim M. Sparrow, U.S.A.
1977 D. Brian Spalding, U.K.
1978 Niichi Nishiwaki, Japan
1979 Stuart W. Churchill, U.S.A.
1980 Ralph A. Seban, U.S.A.
1981 Chang-Lin Tien, U.S.A.
1982 Simon Ostrach, U.S.A.
1983 Bei Tse Chao, U.S.A.
E. TORRELLA
1984 Alexander Louis London, U.S.A.
1985 Frank Kreith, U.S.A.
1986 Raymond Viskanta, U.S.A.
1987 S.
S George
G
B k ff U.S.A.
Bankoff,
USA
1988 Yasuo Mori, Japan
1989 James P. Hartnett, U.S.A.
1990 Richard J. Goldstein, U.S.A.
1991 Franz X. Mayinger, Germany
1992 William M. Kays, U.S.A.
1993 Benjamin Gebhart, U.S.A.
1994 Geoffrey F. Hewitt, U.K.
1995 Arthur E. Bergles, U.S.A.
1996 Robert Siegel, U.S.A.
1997 John R. Howell, U.S.A.
1998 Alexander I. Leontiev, Russia
1999 Adrian Bejan, U.S.A
2000 Vedat Arpaci, U.S.A.
2001 John C. Chen, U.S.A.
2002 Yogesh Jaluria, U.S.A.
2003 Kenneth J. Bell, U.S.A.
2004 Vijay K. Dhir, USA
2005 Ping Cheng, China
2006 Kwang-Tzu Yang, U.S.A.
2007 Wen-Jei Yang U.S.A.
2008 Suhas Patankar U.S.A.
2009 Ivan Catton U.S.A.
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