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TEMA 3
Transmisión del calor por conducción
y por convección
ETSAM
Física y Mecánica de las Construcciones
3.1 Introducción
ENERGÍA de un sistema:
- ENERGÍA MECÁNICA
- ENERGÍA INTERNA U
FORMAS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA:
Trabajo y calor:
- no son funciones de estado
- función del proceso: formas transitorias de energía
3.1. Introducción
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Física y Mecánica de las Construcciones
OBJETIVO: ESTUDIO DE FORMAS BÁSICAS DE TRANSMISIÓN DEL CALOR
Conducción - Convección - Radiación
Intercambio de energía en forma de calor:
- diferencia de temperaturas
- Primer Principio de la Termodinámica: conservación de la energía
- Segundo Principio de la Termodinámica:
SISTEMA CALIENTE ⇒ SISTEMA FRÍO
3.1. Introducción
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Física y Mecánica de las Construcciones
¿POR QUÉ ES INTERESANTE ESTE ESTUDIO?
Diferentes condiciones térmicas en exterior e interior de una instalación
Transferencia de calor elevada: pérdida de eficiencia y alto coste
energético
1) REDUCCIÓN CONSUMO ENERGÉTICO: adecuado aislamiento
2) CONFORT TÉRMICO EN UN ESPACIO: combinación temperatura y grado
de humedad
3.1. Introducción
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3.2. Modalidades básicas de transmisión del calor
- CONDUCCIÓN, CONVECCIÓN Y RADIACIÓN
- PROBLEMAS PRÁCTICOS: PRESENCIA DE LAS TRES, UNO PREDOMINA
3.2. Modalidades básicas de transmisión del calor
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CONDUCCIÓN:
- intercambio de energía cinética: movimiento de electrones libres
- soporte material
3.2. Modalidades básicas de transmisión del calor
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Física y Mecánica de las Construcciones
CONVECCIÓN:
- transporte de energía por desplazamiento de las masas de fluido
- convección libre o natural: diferencia de temperaturas
- convección forzada: sistema mecánico (bomba o ventilador)
3.2. Modalidades básicas de transmisión del calor
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RADIACIÓN:
- radiación electromagnética emitida por los cuerpos en función de T
- reflexión, transmisión y absorción
- no exige medio de transporte (calor transferido por el sol)
3.2. Modalidades básicas de transmisión del calor
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Física y Mecánica de las Construcciones
3.3. Transferencia de calor por conducción
Medios isótropos:
Fórmula empírica (Fourier):
T1 − T2
T2 − T1
Φ = kS
= − kS
∆x
∆x
T1
T2
K: conductividad térmica (W m-1 ºC-1)
T
T+dT
k
C=
⇒ Φ = CS (t1 − t 2 )
∆x
C: conductancia térmica
Densidad de flujo térmico:
T2 − T1
Φ
q = = −k
S
∆x
3.3. Transferencia de calor por conducción
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Física y Mecánica de las Construcciones
Conductividad térmica:
K: facilidad de transmisión de calor por conducción de una sustancia
Dependiente de composición química, fase, presión y temperatura
3.3. Transferencia de calor por conducción
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Física y Mecánica de las Construcciones
Ejemplos (régimen estacionario)
1. Pared plana con temperaturas de contorno conocidas
∂ 2T
∂x
2
+
∂ 2T
∂y
2
+
∂ 2T
∂z
2
d 2T
=0
dx
2
=0
d dT
dT
= C ⇒ T = Cx + C´
( )=0⇒
dx dx
dx
T1
T2
(T2 − T1 )
a
x = 0 T = T1
C=
x = a T = T2
C´= T1
T1 − T2
x
T = T1 −
a
3.3. Transferencia de calor por conducción
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Física y Mecánica de las Construcciones
1. Pared plana con temperaturas de contorno conocidas
Φ x = kS
T1
T1 − T2 T1 − T2
T −T
=
= 1 2
a
(a / kS ) Rtérmica
T2
Resistencia térmica del muro:
a
R=
kS
LEY DE OHM DE LA CONDUCCIÓN TÉRMICA
1.3. Transferencia de calor por conducción
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Física y Mecánica de las Construcciones
2. Pared de capas múltiples con temperaturas de contorno conocidas
T1
T2
T3
Φ = k1S
T4
T −T
T −T
T1 − T2
= k 2 S 2 3 = k3 S 3 4
∆x1
∆x2
∆x3
Φ ∆x1
T1 − T2 =
S k1
Φ ∆x 2
T2 − T3 =
S k2
1.3. Transferencia de calor por conducción
Φ ∆x 3
T3 − T4 =
S k3
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Física y Mecánica de las Construcciones
2. Pared de capas múltiples con temperaturas de contorno conocidas
T1
T2
T3
T4
S (T1 − T4 )
(T1 − T4 )
(T1 − T4 )
Φ=
=
=
∆x
∆x
∆x
∆x
∆x
∆x
R1 + R 2 + R3
( 1 + 2 + 3) ( 1 + 2 + 3)
k1
k2
k3
k1 S k 2 S k 3 S
A partir de Φ podemos determinar T2 y T3 ⇒ distribución de temperaturas
3.3. Transferencia de calor por conducción
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3.4. Transmisión del calor por convección
3.4. Transmisión del calor por convección
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CAPA LÍMITE TÉRMICA: región en la que temperatura del fluido ha alcanzado
una cierta fracción de Tf (zona T uniforme)
3.4. Transmisión del calor por convección
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Física y Mecánica de las Construcciones
Ley de enfriamiento de Newton:
⎛ ∆T ⎞
Φ = kS ⎜
⎟ = hS (T S − T f )
⎝ ∆z ⎠
Coeficiente de convección, de película, de conductancia térmica unitaria:
k
h=
∆z
3.4. Transmisión del calor por convección
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Física y Mecánica de las Construcciones
EJEMPLOS:
1. Pared plana constituida por dos capas sólida y limitada por fluidos convectivos
Datos: T1 y T5
Φ = Sh12 (T1 − T2 )
⎡
⎢ T −T
2
4
Φ = S⎢
⎢ ∆x 23 ∆x 34
+
⎢
k 34
⎣ k 23
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
Φ = Sh45 (T4 − T5 )
3.4. Transmisión del calor por convección
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Física y Mecánica de las Construcciones
1. Pared plana constituida por dos capas sólida y limitada por fluidos convectivos
T1 − T2 =
Φ
Sh12
⎡ ∆x
∆x ⎤
T2 − T4 = Φ ⎢ 23 + 34 ⎥
⎣ Sk 23 Sk 34 ⎦
T4 − T5 =
⎡
⎢
T1 − T5
Φ=⎢
⎢ 1 + ∆x23 + ∆x34 + 1
⎢ Sh
⎣ 12 Sk 23 Sk 34 Sh45
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
Φ
Sh45
⎡
⎤
T1 − T5
Φ=⎢
⎥
+
+
+
R
R
R
R
23ter
34ter
45conv ⎦
⎣ 12conv
3.4. Transmisión del calor por convección
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Física y Mecánica de las Construcciones
1. Pared plana constituida por dos capas sólida y limitada por fluidos convectivos
⎡
⎢
T1 − T5
⎢
Φ=
⎢ 1 + ∆x23 + ∆x34 + 1
⎢ Sh
⎣ 12 Sk 23 Sk 34 Sh45
⎤
⎡
⎥
⎢
T1 − T5
⎥ = S⎢
⎥
⎢ 1 + ∆x23 + ∆x34 + 1
⎥
⎢h
k 23
k 34
h45
⎦
⎣ 12
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
Φ = SU (T1 − T5 )
∆x
∆x
1
1
1
=
+ 23 + 34 +
U h12
k 23
k 34
h45
TRANSMISIÓN GLOBAL O TRANSMITANCIA
3.4. Transmisión del calor por convección
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