Ingeniería Térmica

INGENIERÍA TÉRMICA

Y DE FLUIDOS

Pedro Fernández Díez

http://libros.redsauce.net/

I.- PRINCIPIOS BÁSICOS

DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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I.1.- INTRODUCCIÓN

La Ingeniería Térmica trata de los procesos de transferencia de calor y la metodología para calcular la

velocidad temporal conque éstos se producen y así poder diseñar los componentes y sistemas en los que

son de aplicación. La transferencia de calor abarca una amplia gama de fenómenos físicos que hay que

comprender antes de proceder a desarrollar la metodología que conduzca al diseño térmico de los sistemas

correspondientes.

Algunos ejemplos de diseño pueden ser:

- Los que requieren disminuir las cantidades de calor transferido mediante un aislante térmico, o amplificarlas

mediante aletas u otros sistemas

- Los que implican procesos de transferencia de calor de un fluido a otro mediante intercambiadores de

calor

- Los que controlan térmicamente un proceso, manteniendo las temperaturas de funcionamiento de los

elementos sensibles al calor dentro de unos márgenes predeterminados, etc.

Siempre que existe una diferencia de temperatura, la energía se transfiere de la región de mayor temperatura

a la de temperatura más baja; de acuerdo con los conceptos termodinámicos la energía que se

transfiere como resultado de una diferencia de temperatura, es el calor. Sin embargo, aunque las leyes

de la termodinámica tratan de la transferencia de energía, sólo se aplican a sistemas que están en equilibrio;

pueden utilizarse para predecir la cantidad de energía requerida para modificar un sistema de un

estado de equilibrio a otro, pero no sirven para predecir la rapidez (tiempo) conque puedan producirse estos

cambios; la fenomenología que estudia la transmisión del calor complementa los Principios termodinámicos,

proporcionando unos métodos de análisis que permiten predecir esta velocidad de transferencia

térmica.

Para ilustrar los diferentes tipos de información que se pueden obtener desde ambos puntos de vista,

(termodinámico y transferencia de calor) consideraremos, a título de ejemplo, el calentamiento de una

barra de acero inmersa en agua caliente. Los principios termodinámicos se pueden utilizar para predecir

las temperaturas finales una vez los dos sistemas hayan alcanzado el equilibrio y la cantidad de energía

transferida entre los estados de equilibrio inicial y final, pero nada nos dicen respecto a la velocidad de la

transferencia térmica, o la temperatura de la barra al cabo de un cierto tiempo, o del tiempo que hay

que esperar para obtener una temperatura determinada en una cierta posición de la barra.

I.-1

El análisis de la transmisión del calor permite predecir la velocidad de la transferencia térmica del

agua a la barra y de esta información se puede calcular la temperatura de la barra, así como la temperatura

del agua en función del tiempo.

Para proceder a realizar un análisis completo de la transferencia del calor es necesario considerar

tres mecanismos diferentes, conducción, convección y radiación.

El diseño y proyecto de los sistemas de intercambio de calor y conversión energética requieren de

cierta familiaridad con cada uno de estos mecanismos, así como de sus interacciones; en primer lugar

consideraremos los principios básicos de la transmisión del calor y algunas aplicaciones simples, que serán

de utilidad en capítulos posteriores, en los que serán tratados con más detalle.

I.2.- TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONDUCCIÓN EN RÉGIMEN ESTACIONARIO Y FLUJO

UNIDIRECCIONAL

La conducción es el único mecanismo de transmisión del calor posible en los medios sólidos opacos;

cuando en estos cuerpos existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la región de mayor

temperatura a la de menor temperatura, siendo el calor transmitido por conducción Qk, proporcional al

gradiente de temperatura

dT

dx , y a la superficie A, a través de la cual se transfiere, Fig I.1.a, es decir:

Qk ≅ A dT

dx

en donde T es la temperatura y x la dirección del flujo de calor.

Fig I.1- Convenio de signos para la transmisión del calor por conducción

El flujo real de calor depende de la conductividad térmica k, que es una propiedad física del cuerpo,

por lo que la ecuación anterior se puede expresar en la forma:

Qk = - k A dT

dx

en la que si la superficie A de intercambio térmico se expresa en m2, la temperatura en grados Kelvin, la

distancia x en metros y la transmisión del calor en W, las unidades de k serán W/m°K.

El signo (-) es consecuencia del Segundo Principio de la Termodinámica, según el cual, el calor debe

fluir hacia la zona de temperatura más baja. El gradiente de temperaturas es negativo si la temperatura

disminuye para valores crecientes de x, por lo que si el calor transferido en la dirección positiva debe

ser una magnitud positiva, en el segundo miembro de la ecuación anterior hay que introducir un signo

negativo.

I.-2

Pared plana.- Una aplicación inmediata de la ley de Fourier corresponde al caso de la transmisión

del calor a través de una pared plana, Fig I.2. Cuando las superficies de la pared se encuentran a temperaturas

diferentes, el calor fluye sólo en dirección perpendicular a las superficies.

Si la conductividad térmica es uniforme, la integración de la ecuación anterior proporciona:

Qk = - k A

L (T2 - T1 ) = k A

L (T1- T2 ) =

T1 - T2

L

k A

en la que L es el espesor de la pared, T1 es la temperatura de la superficie de la izquierda x = 0, y T2 es la

temperatura de la superficie de la derecha x = L

Fig I.2.- Muro plano Fig I.3.- Pared compuesta

Paredes planas en serie.- Si el calor se propaga a través de varias paredes en buen contacto térmico,

capas múltiples, el análisis del flujo de calor en estado estacionario a través de todas las secciones

tiene que ser el mismo. Sin embargo y tal como se indica en la Fig I.3 en un sistema de tres capas, los

gradientes de temperatura en éstas son distintos. El calor transmitido se puede expresar para cada sección

y como es el mismo para todas las secciones, se puede poner:

Qk =

T1- T2

( L

k A)A

=

T2 - T3

( L

k

...