Introducción Transferencia de Calor

Introducción y Conceptos.
 Los equipos de transferencia de calor tales como
intercambiadores de calor, las calderas, los
condensadores, los radiadores, los calentadores, los
hornos, los refrigeradores, colectores solares, etc. están
diseñados tomando en cuenta el análisis de la
transferencia de calor.
Introducción y Conceptos.
 Generalmente los problemas que se plantean en la
practica se pueden dividir en dos grupos:
de capacidad nominal
de dimensionamiento.
 Los problemas de capacidad nominal tratan de la
determinación de la cantidad de transferencia de
calor para un sistema existente a una diferencia
especifica de temperatura.
 Los problemas de dimensionamiento tratan de la
determinación del tamaño de un sistema con el fin de
transferir calor a una velocidad determinada para una
diferencia especifica de temperatura.
Introducción y Conceptos.
 Manteniendo la practica usual, llamaremos a la
energía térmica calor y a la trasferencia de energía
térmica transferencia de calor.
 La cantidad de calor transferido durante el proceso se
denota por Q.
 La cantidad de calor transferido por unidad de
tiempo se llama velocidad de trasferencia de calor y
se denota por q’
Introducción y Conceptos.
 La velocidad de transferencia de calor por unidad de
área perpendicular a la dirección de esa transferencia
se llama flujo de calor (flux) y se expresa como:
q' W
q [ 2]
A m
 en donde A es el área de transferencia de calor.
Area
Velocidad de
Flujo
Introducción y Conceptos.
 En condiciones de estado estacionario y en ausencia de
cualesquiera interacciones de trabajo, la relación de
conservación de la energía para un volumen de control
con una admisión y una salida y con cambio
despreciables en las energías cinética y potencia, se
puede expresar como:
q'  mc p T
Introducción y Conceptos.
 El calor se puede transferir en tres modos diferentes:
 Conducción, convección y radiación.
Conducción.
 El proceso de transferencia de energía térmica mas
sencillo de describir de manera cuantitativa recibe el
nombre de conducción.
 En este proceso, la transferencia de energía térmica se
puede ver a una escala atómica como un intercambio
de energía cinética entre moléculas, donde las
partículas menos energéticas ganan energía al chocar
con las partículas mas energéticas.
Conducción.
La transferencia de calor por conducción es explicada satisfactoriamente
por la Ley de Fourier: “El flujo de calor es proporcional a la gradiente
de temperatura”.
q  kT
T
q  k
x
Conducción.
T
q'  k
x
 donde:
 k: conductividad térmica del material a través del
medio por donde se transfiere el calor. (W/m⁰C)
 gradiente de temperatura en la dirección de flujo de
calor
T
x
Conducción.
Convección.
 Es el proceso de transferir energía térmica por el
movimiento de un fluido.
 Cuando el movimiento se produce por diferencia en la
densidad, como en el ejemplo del aire alrededor del
fuego, esta se conoce como convección natural o libre.
 Cuando la sustancia calentada es obligada a moverse
mediante un ventilador o bomba, como en algunos
sistemas de calefacción de aire caliente y agua caliente,
el proceso se denomina convección forzada.
Convección.
Convección.
La velocidad de transferencia de calor por convección se
calcula a través de la siguiente expresión:
q  h(Ts  T )
donde:
h : coeficiente convectivo de transferencia de calor.(W/m2 ⁰C)
T s : temperatura de la superficie.
T α : temperatura del fluido.
Convección.
Radiación.
 La tercera forma de transferencia de energía térmica es
denominada radiación.
 Todos los objetos radian energía continuamente en
forma de ondas electromagnéticas. El tipo de radiación
asociado a la transferencia de energía térmica de un
lugar a otro se conoce como radiación infrarroja (en
mayor medida).
Radiación.
Radiación.
 La velocidad a la cual un objeto emite energía radiante
es proporcional a la cuarta potencia de su
temperatura absoluta.
 Esto se conoce como la Ley de Stefan-Boltzmann y se
expresa en forma de ecuación como:
q  T
4
 donde:
 σ : constante de Stefan-Boltzmann igual a 5,67 x 10-8
(W/m2 0K4)
Radiación.
 Para superficies “reales”:
q   (T  T )
4
1
4
2
 T1: temperatura de la superficie 1 .
 T2: temperatura de los alrededores.
 ε: emisividad del cuerpo.(adimensional)
 La emisividad depende de la naturaleza de la
superficie del objeto, pudiendo variar de 0 a 1.
Ecuación de conservación
Superficie de control
(Frontera)
Velocidad de
Energía
Térmica a la
Entrada
Velocidad de
Acumulación
de Energía
Térmica
Velocidad de
Generación
de Energía
Termica
Velocidad de
Energía
Térmica a la
Salida
Volumen de control
Ein  Eout  E g  E Acum
Ecuación de Conservación
 METODOLOGIA:
 Definir el volumen de control apropiado
 Definir los procesos energéticos relevantes
 Aplicar la ecuación de conservación y las expresiones de
flujo adecuadas.
Balance de energía en una superficie
 Cuando no se toma en cuenta Generación ni
Acumulación de energía
qconducc  qconvecc  0
T1
T2
Tα
q’ cond
q’ conv
Ein  Eout  0
Ejemplos
 Las temperaturas de las superficies interna y
externa de una ventana de vidrio de 6 mm de
espesor son de 15⁰C y 4⁰C respectivamente. Cuál
es la pérdida de calor a través de una ventana que
mide 1x3 m de lado?. La conductividad térmica del
vidrio es 1.4 w/m ⁰ K.
Ejemplos
 Un tubo que transporta vapor, tiene la Temperatura
de 150ºC en la superficie exterior, se encuentra en
una habitación cuya temperatura ambiente es de
20ºC. Si el coeficiente de transferencia convectiva
es h=10W/m2 ºK, calcular las pérdidas de calor por
metro de longitud. El diámetro externo del tubo es
de 10 cm.
 Si la superficie del tubo tiene una emisividad de 0.7
y considerando la temperatura de los alrededores
igual a la del ambiente, calcular la pérdida total de
calor.
Ejemplos
 Una superficie cuya temperatura se mantiene a
400ºC está separada de un flujo de aire por una
capa aislante de 25 mm de espesor, con una
k=0.1W/mºK. Si la temperatura del aire es de 35ºC y
el coeficiente convectivo entre el aire y la superficie
exterior del aislante es 500 W/m2 ºK, cuál es la
temperatura de la superficie exterior?.