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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
¿Qué se entiende por transferencia de calor?
La transferencia de calor es el transporte o transferencia de energía ocasionada por una diferencia de temperatura. Es decir, siempre que exista una diferencia de temperatura entre dos puntos u objetos, se generará una transferencia de calor.
En esta clase se introducirán los distintos modos de transferencia de calor, ya que, como ingenieros, debemos entender como se transfiere la energía.
Esto nos permitirá conocer las ecuaciones básicas que describen cada modo o mecanismo para la transferencia de calor.
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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Existen tres mecanismos básicos de transferencia de calor:
• Conducción
• Convección
• Radiación
Todos los procesos de transferencia de energía involucran a una o más de estas formas.
Por esto, es importante entender estos mecanismos de transferencia de energía y las ecuaciones básicas que los describen.
Al diseñar un equipo que intercambiará calor se debe cuantificar el aporte de cada uno de estos mecanismos de transferencia de energía, de modo de obtener una solución que satisfaga las necesidades del proceso.
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Conducción
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Cuando en un sistema sólido, líquido o gaseoso, existe una diferencia de temperaturas en una determinada dirección, las moléculas o átomos más calientes, pueden transmitir su energía a sus vecinas más frías.
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Conducción
La transmisión de la energía por este mecanismo puede darse por dos fenómenos
Interacción molecular Electrones libres Una molécula en un estado de energía mayor le transfiere energía a las moléculas adyacentes que se encuentran en un nivel menor de energía.
Cuando en un sistema sólido, líquido o gaseoso, existe una diferencia de temperaturas en una determinada dirección, las moléculas o átomos más calientes, pueden transmitir su energía a sus vecinas más frías.
Este fenómeno tiene lugar principalmente en sólidos metálicos puros.
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Conducción Cuando en un sistema sólido, líquido o gaseoso, existe una diferencia de temperaturas en una determinada dirección, las moléculas o átomos más calientes, pueden transmitir su energía a sus vecinas más frías.
Independientemente del fenómeno involucrado en la conducción, el flujo de calor Q en la dirección x se expresará como:
dx
dTAkQx
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HWA
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Conducción Esta ecuación fue establecida por Fourier en 1822:
dx
dTAkQx
dx
dT
A
k
QxRapidez de transferencia de calor en la dirección x
Conductividad Térmica
Área normal a la dirección del flujo de calor
Gradiente de temperatura en la dirección x
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Conducción En un medio isotrópico en el que la temperatura varia en las tres direcciones, puede escribirse la misma ecuación para cada coordenada:
Tkq
dx
dTAkQx
Entonces, la expresión vectorial correspondiente para el flujo de calor por conducción es:
Ley de Fourier
dy
dTAkQy
dz
dTAkQz
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Conducción Unidades y dimensiones de la Ley de Fourier:
2LongitudTiempo
Energíaq
A
Longitud
aTemperaturT
aTemperaturLongitudTiempo
Energía
T
qk
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Conducción Unidades y dimensiones de la Ley de Fourier:
Sistema
Internacional
Sistema
Técnico
Sistema
Inglés
q W/m2 Kcal/h·m2 Btu/h·ft2
T K/m K/m °F/ft
k W/m·K Kcal/h·m·K Btu/h·ft·°F
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Conducción Propiedades de la Conductividad Térmica:
• Para que exista conducción es necesaria la presencia de materia
• La conductividad térmica es una propiedad del medio conductor
• A nivel microscópico, la conductividad térmica se caracteriza mediante diferentes modelos según se trate de gases, líquidos o sólidos
• Es principalmente una función de la temperatura
• Sólo varía apreciablemente con la presión en el caso de gases sometidos a altas presiones.
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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Conducción Conductividad Térmica de varios materiales en función de la temperatura:
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Conducción Conductividad Térmica de varios materiales en función de la temperatura:
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Convección Este mecanismo se relaciona con la transferencia de energía entre una superficie y un fluido adyacente en movimiento.
Transferencia de energía
Movimiento molecular aleatorio
Movimiento global o macroscópico de fluido
+
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Convección
Transferencia molecular
Transporte global o macroscópico
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Convección
El flujo de calor a través de la interfase será función de:
El área de la interfase
La diferencia de temperaturas entre el fluido y la superficie (ΔT = Tw - T)
TAQy
El factor de proporcionalidad se lo denomina Coeficiente de Transferencia de Calor por Convección o Coeficiente Pelicular h.
TAhQy Ley de Newton del enfriamiento (1701)
A
y
y Thq
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Convección
El coeficiente Pelicular será función de:
La Geometría del Sistema
Las propiedades del fluido
Régimen de flujo (origen del movimiento del fluido)
Determinación del Coeficiente Pelicular, h:
El origen del movimiento determina dos posibles mecanismos de transferencia de calor por convección:
• Convección Forzada
• Convección Natural
Los fenómenos de ebullición y condensación difieren de estos dos tipos de convección, pero se los trata con la misma ley.
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Convección Unidades y dimensiones de la Ley de Newton del enfriamiento:
2LongitudTiempo
Energíaq
A
aTemperaturT
aTemperaturLongitudTiempo
Energía
T
qh
2
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Convección Unidades y dimensiones de la Ley de Newton del enfriamiento:
Sistema
Internacional
Sistema
Técnico
Sistema
Inglés
q W/m2 Kcal/h·m2 Btu/h·ft2
ΔT K K °F
h W/m2·K Kcal/h·m2·K Btu/h·ft2·°F
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Convección Valores aproximados del Coeficiente Pelicular:
Mecanismo Kcal/h·m2·K W/m2·K
Convección libre en aire 1 - 10 5 - 50
Convección forzada en aire 5 - 50 25 - 250
Convección forzada en agua 50 - 3000 250 - 15000
Agua en ebullición 500 - 5000 2500 - 25000
Vapor de agua condensando 1000 - 20000 5000 - 100000
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Radiación “La radiación térmica es la energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura finita”
Este mecanismo de transferencia de energía difiere de la conducción y de la convección en el hecho de que no requiere ningún medio para su propagación.
La transferencia es máxima en un vacío perfecto.
Este mecanismo de transferencia de calor es muy complejo y originalmente se presentaron distintas de teorías para representarlo:
• Carácter Ondulatorio
• Carácter Corpuscular
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Radiación La radiación esta caracterizada por las propiedades estándar de una onda:
• Frecuencia (ν) • Longitud de onda (λ)
Radiación Térmica (0,1 100 µm)
c
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Todo cuerpo a T > 0 K emite energía en forma de radiación electromagnética de acuerdo con la temperatura que posean
En las aplicaciones ingenieriles son importantes los procesos de radiación térmica en sólidos (fenómeno superficial)
Una superficie emite radiación de diferentes longitudes de onda (composición espectral) y, en forma preferencial, en determinadas direcciones (direccionalidad).
La radiación incidente en un sistema producirá que los átomos o moléculas de éste vayan de un estado de menor energía a uno de mayor energía.
Emisión de radiación térmica
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Ocurre cuando la radiación incidente en un sistema causa que los átomos o moléculas de este sistema vayan de un estado de menor energía hacia uno de mayor energía.
Absorción de radiación térmica
Radiación Incidente
Radiación Transmitida
Radiación Abs o r bida
Radiación Reflejada
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Absorción de radiación térmica
Radiación Incidente
a absorbanci a
cia tan reflec r
transmitancia t
1 tar
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Absorción de radiación térmica
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1 tar
En los sólidos la transmitancia es nula, por lo tanto se cumple:
0t 1ar
Un cuerpo absorbente ideal se lo denomina “cuerpo negro” y para este tipo de cuerpos se cumple:
1a
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Cuerpo negro
1. Un cuerpo negro absorbe toda la radiación incidente, sin importar la longitud de onda y la dirección.
2. Para una temperatura y longitud de onda establecidas, ninguna superficie puede emitir más energía que un cuerpo negro.
3. Aunque la radiación emitida por un cuerpo negro es una función de la longitud de onda y la temperatura, es independiente de la dirección. Es decir, el cuerpo negro es un emisor difuso.
El cuerpo negro servirá como un modelo contra el que se pueden comparar las propiedades radiativas de superficies reales.
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Radiación Valores de absorbancia para distintos materiales:
Superficie α
Film de aluminio evaporado 0,09
Film de cuarzo fundido sobre aluminio 0,19
Ladrillo rojo 0,63
Nieve 0,28
Acero inoxidable 0,5
Hierro oxidado 0,74
Hierro pulido 0,052
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Radiación Térmica El flujo máximo al cual la radiación puede ser emitida desde la superficie está dado por la ley de Stefan-Boltzmann. Stefan propuso la ecuación en 1879 y Boltzmann dedujo esta relación en forma teórica en 1884:
4Tq
T
q Rapidez de transferencia de calor radiante
Temperatura absoluta
Constante de Stefan-Boltzmann
4242
88 10.1714,010.676,5Rfth
Btu
Km
W ó
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Radiación Térmica Este flujo máximo corresponde al radiador ideal o cuerpo negro.
Cualquier radiador real emitirá una fracción de este máximo.
4Tq
10 con
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Bibliografía recomendada
• Primer capítulo de “Fundamentos de Transferencia de Calor”, Segunda Edición, Incropera F.P. & De Witt D.P.
•Capítulo 15 de “Fundamentos de Transferencia de Momento, Calor y Masa”, Segunda Edición, Welty J.R., Wicks C.E. & Wilson R.E.
•Primer capítulo de “Transferencia de Calor”, Octava Edición, Holman J.P.
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