Transferencia De Calor

Transferencia de calor

Introducción:

Transferencia de calor: La ciencia de la termodinámica trata de las transiciones cuantitativas y reacomodos de energía como calor en los cuerpos de materia. La ciencia de la transferencia de calor está relacionada con la razón de intercambio de calor entre cuerpos calientes y fríos llamados fuente y recibidor. Cuando se vaporiza una libra de agua o se condensa una libra de vapor, el cambio de energía en los dos procesos es idéntico. La velocidad a la que cualquiera de estos procesos puede hacerse progresar con una fuente o recibidor independiente es, sin embargo, inherentemente muy diferente. Generalmente, la vaporización es un fenómeno mucho más rápido que la condensación.

Mecanismos de la transferencia de calor: Hay tres formas diferentes en las que el calor puede pasar de la fuente al recibidor, aun cuando muchas de las aplicaciones en la ingeniería son combinaciones de dos o tres. Estas son, conducción, convección y radiación.

Conducción. La conducción es la transferencia de calor a través de un material.

La dirección del flujo de calor será a ángulos rectos a la pared, si las superficies de las paredes son isotérmicas y el cuerpo es homogéneo e isotrópico. Supóngase que una fuente de calor existe a la izquierda de la pared y que existe un recibidor de calor en la superficie derecha. Es conocido y después se confirmará por una derivación, que el flujo de calor por hora es proporcional al cambio de temperatura a través de la pared y al área de la pared. Si T es la temperatura en cualquier punto de la pared y x es el grueso de la pared en dirección del flujo de calor, la cantidad de flujo de calor dQ es dada por

dq= K*A*(-dT/dx).

La constante de proporcionalidad k es peculiar a la conducción de calor por conductividad y se le conoce por conductividad térmica

La conductividad térmica de los sólidos tiene un amplio rango de valores numéricos dependiendo de si el sólido es relativamente un buen conductor del calor, tal como un metal, o un mal conductor como el asbesto. Estos últimos sirven como aislantes. Aun cuando la conducción de calor se asocia usualmente con la transferencia de calor a través de los sólidos, también es aplicable a gases y líquidos, con sus limitaciones.

Convección: La convección es la transferencia de calor entre partes relativamente calientes y frías de un fluido por medio de mezcla. Supóngase que un recipiente con un líquido se coloca sobre una llama caliente. El líquido que se encuentra en el fondo del recipiente se calienta y se vuelve menos denso que antes, debido a su expansión térmica. El líquido adyacente al fondo también es menos denso que la porción superior fría y asciende a través de ella, transmitiendo su calor por medio de mezcla conforme asciende.

La transferencia de calor del líquido caliente del fondo del recipiente al resto, es convección natural o convección libre. Si se produce cualquiera otra agitación, tal como la provocada por un agitador, el proceso es de convección forzada. Este tipo de transferencia de calor puede ser descrito en una ecuación que imita la forma de la ecuación de conducción y es dada por: dq= h*A*dT.

La constante de proporcionalidad h es un término sobre el cual tiene influencia la naturaleza del fluido y la forma de agitación, y debe ser evaluado experimentalmente. Se llama coeficiente de transferencia de calor. Cuando la dq= h*A*dT se escribe en su forma integrada, Q = h*A*∆T, se le conoce como la ley del enfriamiento de Newton.

Problema N°1

Se construyen los muros de una casa con una capa de tabique de ladrillo de 100mm de espesor, 12mm de panel de fibra aislante, un espacio de 90mm con aire en reposo, otro de 12mm de panel de fibra aislante 6mm de tablero de madera. La temperatura del ambiente frente a la superficie exterior del tabique es igual a 1°C la interior, atmósfera de a habitación, igual a 23 °C.

Hállese el flujo de calor a través de este muro y las temperaturas de las superficies, exterior e interior del mismo, en los 3 siguientes casos:

El espacio de aire está en reposo no hay líneas de corriente de convección.

Hay corrientes de convección en el espacio de aire en reposo que hacen que la conductancia equivalente en este espacio sea igual a 3,6(W/m2K).

Se rellena el espacio entre las paredes interior y exterior con lana de vidrio.

El coeficiente de transferencia por convección en el exterior e interior es de 60(W/m2°C) y 10(W/m2°C) respectivamente.

100mm 12mm 90mm 12mm 6

Datos:

LL= 100mm= 0,1m

KL= 0,72 W/m°C

LF= 12mm= 0,012m

KF= 0,043W/m°C

LA= 90mm= 0,09m

KA= 0,026W/m°C

LM= 6mm= 0,006m

KM= 0,17W/m°C

Área= 1m2

T∞1= 23°C

T∞2= 1°C

h2= 60 W/m2°C

haire= 3,6W/m2K

KLana de vidrio=0.06 W/m°C

*(Datos considerador del libro de Fundamentos de Transferencia de calor Yunus-Cengel)

Considerando las ecuaciones a partir de los datos y las incógnitas se tiene:

qinterior= h*A*( T∞1- T1)

qmadera= Kmadera*(T1-T2)A/L

qfibra= Kfibra*(T2-T3)A/L

qaire= Kaire*(T3-T4) A/L

qfibra= Kfibra*(T4-T5)A/L

qladrillo= KLadrillo*(T5-T6) A/L

qexterior=hexterior*A*(T6-T∞2)

Solución:

Caso 1:

El espacio de aire esta en reposo no hay líneas de corriente de convección.

U= [1/(1/h_2 +L_M/K_M +L_F/K_F +L_A/K_A +L_F/K_F +L_L/K_k +1/h_2 )]

U=[1/(1/10+0,006/0,17+0,012/0,043+0,09/0,026+0,012/0,043+0,1/0,72+1/60)]

U=0,0232[W/(m^2°C)].

Para hallar el flujo de calor:

q= U*A*∆T

q= U*A*(T∞1- T∞2)

q= 0,0232[W/(m^2°C)]*1[m2]*(23-1) [°C]

q= 5,10 [W].

Para el cálculo de temperaturas tenemos que:

q= U*A*∆T

q=1/R_1 *A*( T∞1- T1)

T1= T∞1- (q*R_1)/A

T1= 23 [°C] -5, 10 [W] *1/10

T1=22, 49 [°C]

T2= T1- (q*R_2)/A

T2= 22, 49 [°C] - 5, 10 [W] *0,006/0,17

T2=22,31 [°C]

T3= T2- (q*R_3)/A

T3= 22,31 [°C] – 5,10 [W]* 0,012/0,043

T3= 20,89 [°C]

T4= T3- (q*R_4)/A

T4= 20,89 [°C] - 5,10 [W]* 0,09/0,026

T4= 3,26 [°C]

T5= T4- (q*R_5)/A

T5= 3,26 [°C] - 5,10 [W]* 0,012/0,043

T5= 1,83 [°C]

T6= T5- (q*R_6)/A

T6= 1,83 [°C] - 5,10 [W]* 0,1/0,72

T6= 1,12 [°C]

Caso

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