Mecanismos De Transferencia De Calor

Transmisión de calor

En todas las operaciones interviene la producción o absorción de calor

Naturaleza del flujo de calor: El flujo se produce en el sentido de la temperatura decreciente.

Conducción:

En sólidos resulta por el movimiento de los electrones no ligados. En sólidos que son malos conductores, y la mayor parte de los líquidos, la conductividad se debe al transporte de la cantidad de movimiento de las moléculas individuales. En gases se produce por el movimiento a azar de las moléculas de las zonas más calientes a las más frías.

Convección: Solo puede ocurrir cuando actúan fuerzas sobre la partícula o la corriente de fluido y mantienen su movimiento frente a las fuerzas de fricción.

Si las corrientes son consecuencia de flotación por diferencia de densidades, que a su vez se originan por gradientes de temperatura en la masa es natural. Si las corrientes se ponen en movimiento por un dispositivo, éste es independiente de los gradientes de velocidad y recibe el nombre de convección forzada.

Radiación: Transmisión de energía a través del espacio por medio de ondas electromagnéticas. Si en su camina encuentra material, se transmitirá, reflejará o absorberá, sólo la absorbida es la que aparece como calor y ésta es cuantitativa.

Los gases monoatómicos y diatómicos son transparentes a la radiación térmica, y es muy frecuente encontrarse con que el calor fluye a través de masas de tales gases por radiación y por conducción-convección. La radiación se hace importante a temperaturas elevadas y es independiente de las circunstancias del flujo del fluido.

Transmisión de calor por conducción en sólidos:

Ley de Fourier:

La relación básica del flujo de calor por conducción es la proporcionalidad existente entre la velocidad de flujo de calor a través de una superficie isotérmica y el gradiente de temperatura existente en dicha superficie. Esta generalización, que es aplicable a cualquier lugar del cuerpo y en cualquier instante.

El signo negativo refleja el hecho físico de que el flujo de calor se produce de mayor a menor temperatura.

La ecuación es utilizable para el flujo de calor a través de una superficie cualquiera, no necesariamente isotérmica, con tal de que el área A sea el área de la superficie, y la longitud del camino esté medida en dirección normal a la superficie.

Esta extensión de la ley de Fourier es de gran importancia para el estudio de los flujos bi y tridimensionales, donde los flujos de calor siguen líneas curvas en vez de rectas.

La conducción que tiene lugar con una distribución constante de temperatura recibe el nombre de conducción en estado estacionario.

Conductividad calorífica:

La constante de proporcionalidad k es una propiedad de la sustancia que se denomina conductividad calorífica.

La ley de Fourier establece que k es independiente del gradiente de temperatura, pero no de la temperatura en sí. La experiencia confirma la independencia de k en un amplio intervalo de gradientes de temperatura, excepto para sólidos, donde la radiación entre las partículas, que no sigue una ley lineal con la temperatura, es responsable de una parte importante del flujo total de calor.

Las conductividades caloríficas varían en un amplio intervalo; son muy elevadas para los metales y muy bajas para materiales finamente pulverizados de los que se ha extraído el aire.

Conducción en estado estacionario: Puesto que la conducción tiene lugar en estado estacionario, no hay acumulación ni vaciamiento de calor en el interior.

Resistencias compuestas en serie: En el flujo de calor a través de una serie de capas, la resistencia térmica global es igual a la suma de las resistencias individuales.

En un circuito térmico las diferencias de temperatura, cuya relación con la caída total de temperatura es igual a la relación entre las resistencias térmicas individuales y la resistencia térmica total.

Conducción de calor en estado no estacionario:

Ecuación para la conducción unidimensional:

El área de la lámina situada a la distancia x, perpendicularmente al flujo de calor, y k la conductividad calorífica del sólido.

La diferencia entre la cantidad de calor que entra y la que sale, que corresponde a la acumulación de calor en la capa dx La acumulación de calor en la lámina provoca un aumento de temperatura de la misma. Si el calor específico y la densidad de la lámina son cp y p, respectivamente, la acumulación es igual al producto de la masa por el calor específico y por el incremento de temperatura.

Aplicando un balance de calor:

El término a de la Ecuación recibe el nombre de difusiuidud térmica del sólido y es una propiedad del material.

Las distribuciones de temperatura en sólidos heterogéneos de forma compleja se obtienen mediante analogías hidráulicas o eléctricas, o bien utilizando métodos aproximados de cálculo numérico.

Sólido semiinfinito:

A veces los sólidos se calientan o se enfrían de tal forma que las variaciones de temperatura del material se producen casi exclusivamente en la región inmediata a la superficie. En estas condiciones se puede considerar que el calor penetra en un sólido de espesor prácticamente infinito. Se observa que la temperatura de la superficie caliente presenta una brusca discontinuidad inmediatamente después de la exposición, mientras que la temperatura de los puntos interiores varía progresivamente a medida que transcurre el tiempo.

Considerando: La difusividad térmica, la distancia a la superficie y el tiempo contado a partir del momento en que se modifica la temperatura de la superficie.

La ecuación indica que en un tiempo cualquiera después que se ha modificado la temperatura de la superficie se producirá alguna variación en todos los puntos del sólido por muy alejados que estén de la superficie caliente. Sin embargo, la variación real que tiene lugar en los puntos distantes es muy pequeña y puede despreciarse. Más allá de una cierta distancia de la superficie caliente no penetra la suficiente cantidad de calor para modificar la temperatura en una forma apreciable.

Fundamentos del flujo de calor en fluidos:

El flujo de calor desde un fluido a través de una pared sólida hasta un fluido más frío se encuentra con frecuencia en la práctica de la ingeniería. El calor transmitido puede ser calor latente, que va acompañado de un cambio de fase tal como vaporización o condensación, o bien puede ser calor sensible procedente

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