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Ingeniería de Procesos
Problemas Transferencia de calor
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TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCION
La conducción es el único mecanismo de transmisión del calor posible en los medios sólidos opacos. Cuando en tales medios existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura debido al contacto directo entre moléculas.
Conducción
Determinación del flujo de calor
(Estado estacionario)
Qx
X
Calor difundido por unidad de tiempo
Conductividad térmica (W·m-1·grado -1): calor que atraviesa en la dirección x un espesor de 1 m del material como consecuencia de una diferencia de 1 grado entre los extremos opuestos
Qx kA
dT dx
Superficie (m2): superficie a través de la cual tiene lugar la transmisión de calor
Gradiente de temperatura (grados/m): variación de la temperatura en la dirección indicada por x.
Conductividades térmicas de algunos materiales a temperatura ambiente Material Vapor de agua Aire Agua líquida Mercurio Espuma de poliestireno Papel Vidrio Hielo Plomo Acero Aluminio Cobre La conductividad térmica cambia con el estado de agregación
-1 -1 K k (W·m ·K ) 0.025 0.026 0.61 8.4 0.036 0.13 0.35-1.3 2.2 34 45 204 380
Malos conductores
Buenos conductores
... pero la capacidad de transporte de calor no depende sólo de la conducción
Ejemplo: CONDUCCIÓN EN EL AISLAMIENTO DE UNA TUBERÍA
El suelo tiene una capacidad calorífica alta, entre 0.27 y 0.80 cal/g/ºC, lo que significa que es un buen acumulador de calor, y una baja conductividad térmica, que hace que la penetración del calor en el suelo sea lenta, al igual que su T (ºC) enfriamiento.
Q T2 T1 k A x
T2 T1 T T T T T 2 1 c 2 1 R x/k R c x / k
Calor específico
Difusividad térmica
k c
m2s-1
Q T T T T T T k 2 1 c 2 1 c 2 1 A x x / R
Transferencia de Calor por Convección Cuando un fluido caliente se mueve en contacto con una superficie fría, el calor se transfiere hacia la pared a un ritmo que depende de las propiedades del fluido y si se mueve por convección natural, por flujo laminar o por flujo turbulento.
Convección natural
Flujo laminar
Flujo turbulento
Convección forzada
CONVECCIÓN • La convección es un fenómeno de transporte (materia y energía) que tiene su origen en diferencias de densidad. • Cuando un fluido se calienta, se expande; en consecuencia su densidad disminuye. • Si una capa de material más fría y más densa se encuentra encima del material caliente, entonces el material caliente asciende a través del material frío hasta la superficie. • El material ascendente disipará su energía en el entorno, se enfriará y su densidad aumentará, con lo cual se hundirá reiniciando el proceso.
Ley de enfriamiento de Newton Coeficiente de convección
Superficie de intercambio Q hA(T T ) hA T
Temperatura superficial
Temperatura del fluido libre
T fluido libre Capa límite
T superficial
T
Valores típicos del coeficiente de convección
Convección libre en aire Convección libre en agua Convección forzada en aire Convección forzada en agua Agua hirviendo Vapor condensando
h (Wm-2K-1) 5-25 500-1000 10-500 100-15000 2500-25000 5000-100000