Radiación
Los cuerpos de la figura se encuentran en el
vacío, y no están en contacto entre sí ni
por medio de ningún otro sólido que los conecte.
Tienen temperaturas distintas en un instante dado, pero a medida
que pasa el tiempo se
observará que sus temperaturas se van igualando,
verificándose que existe transmisión de calor entre
ellos.
Como no están en contacto ni conectados por otro
sólido conductor, la transmisión no puede ser por
conducción.
Como tampoco hay fluido en el vacío que los
circunda, no habrá convección.
Estaremos ante un fenómeno de radiación
térmica. Es una forma de emisión de ondas
electromagnéticas que emana todo cuerpo que esté a
mayor temperatura
que el cero absoluto.
Las ondas electromagnéticas son asociaciones de
campos eléctricos y magnéticos que se propagan a la
velocidad de
la luz, serán
explicados en otra página que confeccionaré y
versará sobre Electromagnetismo.
Características de la radiación
térmica:
- No se necesita medio material, ni sólido, ni
fluido. - Es emisión de ondas
electromagnéticas. - Emite todo cuerpo a T>0°K
Ley de Stefan- Boltzman
La ley de Stefan-
Boltzman, establece que si un cuerpo se encuentra a una
determinada temperatura, este emite calor que viene cuantificado
por:
La ley de Stefan-Boltzman, aplica a los denominados
cuerpos negros, que son aquellos cuerpos que emiten la mayor
cantidad de calor posible.
En la práctica los cuerpos negros son una
idealización, en realidad los cuerpos reales solamente
emiten una fracción de la energía que emite un
cuerpo negro. A dichos cuerpos se les denominan cuerpos
grises.
Flujo de calor en cuerpos
grises
Para el caso de cuerpos grises la ecuación de
Stefan- Boltzman se edifica, incluyendo la emisividad
Térmica, , de forma que para un cuerpo gris, el
flujo de calor viene dado por:
Coeficiente de emisividad y de absortividad.
Para estudiar el fenómeno se utiliza el llamado
cuerpo negro, una esfera de platino revestida en negro de humo, a
una temperatura de 2816°C. Se considera que la
radiación de este cuerpo es la referencia, y se lo compara
con otros.
QR: radiación térmica
del cuerpo real por unidad de tiempo y de
superficie.
QN: radiación térmica
del cuerpo negro por unidad de tiempo y de
superficie.
La relación entre ambas radiaciones
térmicas es el coeficiente de emisividad térmica
e.
e = QR /
QN
También se analiza la capacidad de los cuerpos
para absorber la radiación térmica mediante un
procedimiento
similar:
QA: radiación térmica
absorbida por el cuerpo real por unidad de tiempo y por
unidad de superficie
QI: radiación térmica
absorbida por el cuerpo negro por unidad de tiempo y por
unidad de superficie
a = QA /
QI
Kirchoff demostró que: e = a
Ecuación de Stefan-Boltzman.
Sirve para calcular el calor:
dQ/dτ = σ e
T4
Donde aparece la constante universal de
Stefan-Boltzman, que vale:
σ = 4,88 .
10-8 cal °K-4
seg-1
- Ley de
Fourier.
Conducción.
Definición.
Para que exista transmisión de calor por
conducción se considera que el calor fluirá a
través de un medio cuyas moléculas están
fijas en sus posiciones, es decir un medio
sólido.
Ejemplos de medios
sólidos: acero, madera,
corcho, plástico,
todos ellos claro está que a temperatura en que tengan
estado
sólido.
Este flujo de calor ocurrirá sólo
si existe un salto térmico entre dos puntos del
sólido. Este salto térmico o diferencia de
temperaturas será expresado en forma infinitésima
como dt.
A su vez para que tenga lugar el flujo de calor debe
transcurrir un tiempo, al que llamaremos con el
infinitésimo dτ.
Al calor también los tomaremos como
infinitésimo dQ.
Flujo de calor o flujo calórico.
Con los parámetros antes explicados formaremos
una expresión que defina matemáticamente al
flujo calórico F:
F = dQ/dτ
Experimentalmente se ha comprobado que este flujo
calórico es directamente proporcional al potencial
térmico (diferencia de temperaturas) e inversamente
proporcional a lo que llamaremos resistencia del
medio. Cada material ofrece distinta resistencia al flujo de
calor. De esta forma podemos expresar al flujo como:
F ~ potencial térmico
Resistencia del medio
Resistencia del medio.
A la resistencia de cada medio en particular le
asignaremos una constante R que surge de experimentos con
cada sustancia. También consideraremos su inverso, es
decir la conductancia λ
(lambda), que es el parámetro que
utilizaremos.
λ = R-1
Así el flujo se puede considerar
también:
F ~ λ potencial
tιrmico
Casos generales
Se analiza la temperatura para determinar lo que se
llama potencial térmico. Se la plantea como una función de
la posición y el tiempo.
t = f(x, y, z, τ)
Las temperaturas configuran un campo escalar en el medio
de conducción. Planteamos el operador vectorial 
t
(nabla t), que definirá al gradiente
térmico.
El área a través de la cual el calor fluye
también se vectoriza, constituyendo un infinitésimo
dĀ.
Finalmente tomamos las ecuaciones
de flujo de calor y planteamos la siguiente ecuación
diferencial:
dQ/dτ = - λ
dĀ x t
Esta es la Ley de Fourier para la conducción. El
primer término es la derivada del calor respecto del
tiempo. El segundo miembro participa la
conductividad λ y el producto
escalar entre el vector área y el vector gradiente de
temperaturas obtenido del operador t.
Para obtener el flujo de calor se efectúa la
integral respecto del gradiente y para obtener el calor se
integra respecto del tiempo.
Forma genérica de la ecuación de
Fourier:
dQ/dτ
]A = -
λ ∫
dĀ x t
- Ley de Newton.
Convección.
Definición.
Para que exista transmisión de calor por
convección se considera que el calor fluirá a
través de un medio cuyas moléculas o
partículas presentan movimiento
relativo, es decir un medio líquido,
gaseoso, o más genéricamente un medio
fluido.
Ejemplos de medios fluidos: aire, agua, oxigeno,
aceites, etc., todos ellos claro está que a presión y
temperatura en que tengan estado gaseoso, líquido o con
una viscosidad
suficiente para permitir el movimiento relativo de sus
partículas.
La convección puede ser natural o
forzada.
Convección natural.
Es debida al gradiente térmico, y se
justifica:
1. Por la diferencia de densidad o de
peso específico que aparece debido a las diferentes
temperaturas. Esto produce que el fluido más frío
circule hacia abajo y el más caliente hacia arriba,
produciendo una corriente ascendente. En esta
consideración participa la fuerza de
gravedad, pero en el caso que ésta no entre en juego por
estar el sistema en el
espacio exterior, la convección natural también
tiene lugar, por el siguiente punto.
2. Las partículas líquidas o
gaseosas tienen movimientos relativos contínuos, que
aumentan al aumentar sus estados térmicos. Este
movimiento transporta la energía calórica en
forma de energía cinética mientras se desplaza la
partícula y va colisionando con las millones que
encuentra en su camino, y a su vez éstas hacen lo mismo,
verificándose una convección a nivel molecular de
flujo muy turbulento. El movimiento de las partículas es
conocido como movimiento browniano.
Convección forzada.
Es cuando se aplican medios mecánicos para
hacer circular el fluido.
Ejemplos: ventilador, bomba, agitador, etc.
Ley de Newton.
Newton estudió el mecanismo de convección
en forma comparativa observando la circulación de fluidos
en un sistema de tubos cilíndricos concéntricos
donde el fluido circula a contracorriente.
El estudio se realiza por comparación: la
transmisión de calor se realiza en regimenes de
circulación tanto laminar como turbulento. En estas
condiciones, Newton midió cantidad de calor
transferido ΔQ, el
gradiente de temperaturas t y como consecuencia obtuvo experimentalmente una
resistencia al flujo de calor proporcional al gradiente t e inversamente proporcional al calor
ΔQ.
R ~ Δt / ΔQ
La constante de convección
"h".
Para las aplicaciones prácticas se utiliza la
constante "h", llamada también coeficiente de
película.
Es de muy difícil determinación, ya que
depende de las siguientes variables:
- velocidad de circulación
- densidad de fluído
- calor específico de las
sustancias - diámetro de los tubos
- viscosidad del fluído
- conductividad
Con todos estos parámetros se plantea la
solución mediante el análisis adimensional de Backingham
(disponible en próximas publicaciones).
Ecuación general de
convección.
Para cada sistema de convección existirá
una constante "h", de tal forma que la ecuación de Newton
se plantea similar a la de Fourier:
dQ/dτ ]A = h
A (t-θ)
Esta ecuación representa el flujo de calor que se
manifiesta en un sistema a régimen permanente, en donde t
es la temperatura de un fluído estanco o un cuerpo en
cualquier estado de agregación, y θ es la
temperatura del fluído convectivo.
Para entender mejor esta ecuación se sugiere
analizar los casos de aplicación.
- Leyes de los mecanismos de
transmisión
Cada mecanismo tiene sus leyes, a
saber:
Conducción: Ley de Fourier.
Convección: Ley de Newton.
Radiación: Ley de Stefan Boltzman
- Intercambiadores de Calor. Patrones de
Diseño en la
fabricación
Un intercambiador de calor es cualquier dispositivo
utilizado para transferir calor de un líquido procesado
a otro. En un tipo de intercambiador, los hidrocarburos procesados circulan a
través de tubos rodeados por aire o agua fría, de
forma similar al radiador de un automóvil.
El intercambio de calor por radiación entre
varias superficies depende de sus diferentes
características radiantes, geometrías y
orientaciones. El análisis exhaustivo del fenómeno
no es operativo por ser demasiado largo y complejo, por lo que en
la práctica se deben asumir algunas simplificaciones para
poder abordar
el estudio:
- Todas las superficies son grises ó
negras. - Los procesos
de emisión y reflexión son difusos. - Las superficies tienen temperaturas y propiedades
uniformes en toda su extensión. - La absortancia es igual a la emitancia e
independiente del tipo de radiación
incidente. - La sustancia que exista entre las superficies
radiantes no emite ni absorbe radiación.
Factor de forma
Para determinar el intercambio de calor por
radiación entre superficies hay que determinar la distribución de la radiación emitida
por cada superficie y que llega a las otras, que se denomina
factor de forma, también llamado factor de
configuración o de ángulo. El factor de forma desde
una superficie i a una superficie j, Fij, se define
como la fracción de la radiación emitida por la
superficie i que incide sobre la superficie j, o en otras
palabras, es interceptada por j.
Si un recinto cerrado está formado por n
superficies, la suma de los diferentes factores de
forma de la superficie i con respecto a las n superficies
será la unidad, propiedad que
se denomina relación de recinto, haciéndose notar
que si la superficie es plana o convexa no se verá a
sí misma, por lo que en dicho caso Fii =
0:
Los factores de forma dependen exclusivamente de la
geometría de las superficies, pero la
determinación analítica de sus valores
resulta complicado, por que se han elaborado tablas y gráficos para los casos mas frecuentes,
pudiéndose solucionar casos más complejos mediante
la combinación de casos simples y en virtud de las
relaciones de reciprocidad o de recinto.
- Tipos de Intercambiadores de Calor
Para la clasificación de los intercambiadores de
calor tenemos tres categorías
importantes:
Regeneradores:
Los regeneradores son intercambiadores en donde un
fluido caliente fluye a través del mismo espacio seguido
de uno frío en forma alternada, con tan poca mezcla
física
como sea posible entre las dos corrientes.
La superficie, que alternativamente recibe y luego
libera la energía térmica, es muy importante en
este dispositivo.
Las propiedades del material superficial, junto con las
propiedades de flujo y del fluido de las corrientes fluidas, y
con la geometría
del sistema, son cantidades que deben conocer para analizar o
diseñar los regeneradores.
Intercambiadores de tipo abierto:
Como su nombre lo indica, los intercambiadores de calor
de tipo abierto son dispositivos en los que las corrientes de
fluido de entrada fluyen hacia una cámara abierta, y
ocurre una mezcla física completa de las
corrientes.
Las corrientes caliente y fría que entran por
separado a este intercambiador salen mezcladas en una
sola.
El análisis de los intercambiadores de tipo
abierto involucra la ley de la conservación de la masa y
la primera ley de la termodinámica; no se necesitan ecuaciones
de relación para el análisis o diseño de
este tipo de intercambiador.
Intercambiadores de tipos cerrados o
recuperadores:
Los intercambiadores de tipo cerrado son aquellos en los
cuales ocurre transferencia de calor entre dos corrientes fluidas
que no se mezclan o que no tienen contacto entre
sí.
Las corrientes de fluido que están involucradas
en esa forma están separadas entre sí por una pared
de tubo, o por cualquier otra superficie que por estar
involucrada en el camino de la transferencia de calor.
En consecuencia, la transferencia de calor ocurre por la
convección desde el fluido más cliente a la
superficie sólida, por conducción a través
del sólido y de ahí por convección desde la
superficie sólida al fluido más
frío.
Tipos de Intercambiadores
Los intercambiadores de calor se pueden clasificar
basándose en:
- Clasificación por la distribución de
flujo
Tenemos cuatro tipos de configuraciones más
comunes en la trayectoria del flujo.
En la distribución de flujo en paralelo,
los fluidos caliente y frío, entran por el mismo extremo
del intercambiador, fluyen a través de él en la
misma dirección y salen por el otro
extremo.
En la distribución en contracorriente, los
fluidos caliente y frío entran por los extremos opuestos
del intercambiador y fluyen en direcciones opuestas.
En la distribución en flujo cruzado de un solo
paso, un fluido se desplaza dentro del intercambiador
perpendicularmente a la trayectoria del otro fluido.
En la distribución en flujo cruzado de paso
múltiple, un fluido se desplaza transversalmente en
forma alternativa con respecto a la otra corriente de
fluido.
- Clasificación según su
aplicación
Para caracterizar los intercambiadores de calor
basándose en su aplicación se utilizan en general
términos especiales.
Los términos empleados para los principales tipos
son:
Calderas: Las calderas de
vapor son unas de las primeras aplicaciones de los
intercambiadores de calor. Con frecuencia se emplea el
término generador de vapor para referirse a las calderas
en las que la fuente de calor es una corriente de un flujo
caliente en vez de los productos de
la combustión a temperatura
elevada.
Condensadores: Los condensadores
se utilizan en aplicaciones tan variadas como plantas de fuerza
de vapor, plantas de proceso
químico y plantas eléctricas nucleares para
vehículos espaciales. Los tipos principales son los
condensadores de superficie, los condensadores de chorro y los
condensadores evaporativos.
El tipo más común es el condensador de
superficie que tiene la ventaja de que el condensado sé
recircula a la caldera por medio del sistema de alimentación.
Intercambiadores de calor de coraza y tubos: Las
unidades conocidas con este nombre están compuestas en
esencia por tubos de sección circular montados dentro de
una coraza cilíndrica con sus ejes paralelos al aire de la
coraza.
Los intercambiadores de calor
líquido-líquido pertenecen en general a este
grupo y
también en algunos casos los intercambiadores gas-gas.
Son muy adecuados en las aplicaciones en las cuales la
relación entre los coeficientes de transferencia de calor
de las dos superficies o lados opuestos es generalmente del orden
de 3 a 4 y los valores
absolutos son en general menores que los correspondientes a los
intercambiadores de calor líquido-líquido en un
factor de 10 a 100, por lo tanto se requiere un volumen mucho
mayor para transferir la misma cantidad de calor.
Existen muchas variedades de este tipo de
intercambiador; las diferencias dependen de la
distribución de configuración de flujo y de los
aspectos específicos de construcción. La configuración
más común de flujo de intercambiadores
líquido-líquido de coraza y tubos.
Un factor muy importante para determinar el
número de pasos del flujo por el lado de los tubos es la
caída de presión permisible. El haz de tubos
está provisto de deflectores para producir de este modo
una distribución uniforme del flujo a través de
él.
Torres de enfriamiento: Las torres de
enfriamiento se han utilizado ampliamente para desechar en la
atmósfera
el calor proveniente de procesos industriales en vez de hacerlo
en el agua de un
río, un lago o en el océano.
Los tipos más comunes son las torres de
enfriamiento por convección natural y por
convección forzada.
En la torre de enfriamiento por convección
natural el agua se pulveriza directamente en la corriente de aire
que se mueve a través de la torre de enfriamiento por
convección térmica. Al caer, las gotas de agua se
enfrían tanto por convección ordinaria como por
evaporación.
La plataforma de relleno situada dentro de la torre de
enfriamiento reduce la velocidad media de caída de las
gotas y por lo tanto aumenta el tiempo de exposición
de gotas a la corriente de aire en la torre.
Se han construido grandes torres de enfriamiento del
tipo de convección natural de más de 90 m de altura
para desechar el calor proveniente de plantas de
fuerza.
En una torre de enfriamiento por convección
forzada se pulveriza el agua en una corriente de aire producida
por un ventilador, el cual lo hace circular a través de la
torre.
El ventilador puede estar montado en la parte superior
de la torre aspirando así el aire hacia arriba, o puede
estar en la base por fuerza de la torre obligando al aire a que
fluya directamente hacia dentro.
Intercambiadores compactos de calor: La
importancia relativa de criterios tales como potencia de
bombeo, costo, peso y
tamaño de un intercambiador de calor varía mucho de
una instalación a otra, por lo tanto no es siempre posible
generalizar tales criterios con respecto a la clase de
aplicación.
Cuando los intercambiadores se van a emplear en la
aviación, en la marina o en vehículos
aerospaciales, las consideraciones de peso y tamaño son
muy importantes.
Con el fin de aumentar el rendimiento del intercambiador
se fijan aletas a la superficie de menor coeficiente de
transferencia de calor.
Las dimensiones de la matriz del
intercambiador así como el tipo, tamaño y
dimensiones apropiadas de las aletas varían con la
aplicación específica. Se han diseñado
varios tipos que se han utilizado en numerosas
aplicaciones.
Radiadores para plantas de fuerza espaciales: La
remoción del calor sobrante en el condensador de una
planta de fuerza que produce la electricidad para
la propulsión, el comando y el equipo de comunicaciones
de un vehículo espacial presenta problemas
serios aún en plantas que generan sólo unos pocos
kilovatios de electricidad.
La única forma de disipar el calor sobrante de un
vehículo espacial es mediante la radiación
térmica aprovechando la relación de la cuarta
potencia entre la temperatura absoluta de la superficie y el
flujo de calor radiante.
Por eso en la operación de algunas plantas de
fuerza de vehículos espaciales el ciclo
termodinámico se realiza a temperaturas tan altas que el
radiador permanece al rojo. Aún así es
difícil de mantener el tamaño del radiador para
vehículos espaciales dentro de valores
razonables.
Regeneradores: En los diversos tipos de
intercambiadores que hemos discutido hasta el momento, los
fluidos frío y caliente están separados por una
pared sólida, en tanto que un regenerador es un
intercambiador en el cual se aplica un tipo de flujo periódico.
Es decir, el mismo espacio es ocupado alternativamente por los
gases
calientes y fríos entre los cuales se intercambia el
calor.
En general los regeneradores se emplean para recalentar
el aire de las plantas de fuerza de vapor, de los hornos de hogar
abierto, de los hornos de fundición o de los altos hornos
y además en muchas otras aplicaciones que incluyen la
producción de oxígeno
y la separación de gases a muy bajas
temperaturas.
Para los intercambiadores estacionarios convencionales
basta con definir las temperaturas de entrada y salida, las tasas
de flujo, los coeficientes de transferencia de calor de los dos
fluidos y las áreas superficiales de los dos lados del
intercambiador. Pero para los intercambiadores rotatorios es
necesario relacionar la capacidad térmica del rotor con la
de las corrientes de los fluidos, las tasas de flujo y la
velocidad de rotación.
Efectividad de un Intercambiador
La efectividad de transferencia de calor se define como
la razón de la transferencia de calor lograda en un
intercambiador de calor a la máxima transferencia posible,
si se dispusiera de área infinita de transferencia de
calor.
A la mayor razón de capacidad se le designa
mediante C y a la menor capacidad mediante c.
En el caso del contraflujo, es aparente que conforme se
aumenta el área del intercambiador de calor, la
temperatura de salida del fluido mismo se aproxima a la
temperatura de entrada del fluido máximo en el
límite conforme el área se aproxima al
infinito.
En el caso del flujo paralelo, un área infinita
solo significa que la temperatura de ambos fluidos sería
la lograda si se permitiera que ambos se mezclaran libremente en
un intercambiador de tipo abierto.
Para dichos cálculos se encuentran expresiones
aritméticas que expresan las transferencias de calor
logradas por diferentes tipos de intercambiadores de
calor.
Refrigeración
La refrigeración tiene por objetivo
lograr aminorar la temperatura de un cuerpo por debajo de
temperatura que existe en su cercanía
alrededor.
La refrigeración se utiliza para la
conservación de alimentos,
aire
acondicionado, procesos industriales etc.
Analizaremos dos de varios métodos de
refrigeración:
Refrigeración por compresión de
vapor
Consta de cuatro partes fundamentales: compresor,
condensador, válvula o capilar de expansión,
evaporador.
Se utilizan una sustancia refrigerante tal como el
dióxido de carbono,
amoniaco, freón o cloruro de metilo
El vapor saturado seco se comprime. El vapor
sobrecalentado se enfría y condensa, a presión
constante, hasta que se convierte en líquido mediante
enfriamiento por aire o agua, por ejemplo.
El líquido se expande irreversiblemente a
través de una válvula o capilar de
expansión.
El líquido (con algo de vapor) entra en el
evaporador o cámara de refrigeración, donde se
evapora, absorbiendo el calor de la cámara de
refrigeración.
El refrigerador de absorción de
vapor
La diferencia fundamental entre el frigorífico de
absorción de vapor y el de compresión de vapor es
el método
empleado para comprimir la sustancia refrigerante.
Si el compresor se reemplaza por el absolvedor,
generador y bomba se obtiene un frigorífico de
absorción de vapor.
El principio de funcionamiento de esta máquina es
como sigue:
- La sustancia refrigerante (generalmente NH3) entra en
el absolvedor en estado gaseoso y allí se disuelve en el
disolvente (generalmente agua) desprendiendo calor. - Esto reduce el volumen del NH3, pero no altera su
presión. Para elevar la presión, la
disolución acuosa de amoniaco se hace pasar a
través de una bomba, donde se realiza el trabajo W
sobre el fluido. - Este trabajo es
considerablemente menor que el requerido para comprimir el NH3
gaseoso en una máquina de compresión de vapor, ya
que al disolver el NH3 en agua se ha reducido considerablemente
su volumen. - Después de dejar la bomba, la
disolución acuosa de amoniaco entra en el generador
donde recibe calor Qg y el amoniaco se desprende de la
disolución. La disolución diluida de NH3 regresa
al absolvedor para completar el ciclo.
El mecanismo de la convección
Cuando una superficie se pone en contacto con un fluido
a distinta temperatura se produce, en los primeros instantes, una
transmisión de calor por conducción, pero una vez
que el fluido en contacto con la superficie modifica su
temperatura sufre una diferencia de densidad respecto al resto
del fluido, que hace que sea desplazado por éste al actuar
las fuerzas gravitatorias, lo que incrementa la transferencia del
calor en una magnitud muy superior al de la mera
conducción. Este fenómeno se denomina
convección libre o natural, que es la que se suele
considerar en ambientes interiores, ya que se estima que el aire
permanece prácticamente en reposo.
Otro caso es aquel en que el aire se mueve
fundamentalmente debido a fuerzas exteriores, tales como el
viento, en cuyo caso el proceso de transferencia de calor se
incrementa notablemente y se denomina convección forzada,
que es el que habitualmente se considera en superficies en
contacto con el ambiente
exterior.
Existe un tercer caso, intermedio entre los anteriores,
en que las fuerzas actuantes, debidas a la variación de la
densidad y las acciones
exteriores (viento), son de magnitud parecida,
produciéndose una superposición de los efectos de
la convección libre y la forzada, y que se denomina
convección mixta. Es el caso mas general porque en la
práctica siempre hay variación de densidad y
además el aire no está en reposo
absoluto.
Coeficiente superficial de
transmisión del calor
Se define el Coeficiente superficial de
transmisión de calor h [W/m2
ºK], también llamada coeficiente de
película o conductancia superficial, como el
parámetro que relaciona el flujo de calor Q
[W/m2] entre una superficie y el ambiente como
función lineal de la diferencia de temperatura
superficie-aire [ºK], tal como es utilizado en la Ley de
enfriamiento de Newton:
Q = h · D T
[W/m2]
Como objetivo en esta etapa inicial del trabajo se
pretende determinar el valor del
Coeficiente superficial de transmisión del calor h
tal como se emplea en cálculos simplificados, tales como
el cumplimiento de Normas Técnicas,
en los que se considera la transmisión global de calor que
intercambia la superficie con el entorno mediante
convección y radiación, considerando un
régimen estacionario sin soleamiento y con las superficies
del entorno a la misma temperatura del aire.
Los parámetros fundamentales que se utilizan para
el cálculo
simplificado del valor del coeficiente h son la
dirección del flujo de calor y la velocidad del aire, este
último factor referido únicamente a ambientes
interiores con el aire casi en reposo y ambientes exteriores con
viento con una velocidad de proyecto
típica de invierno, la cual se suele considerar en
torno a 3 m/s
(12 Km/h). No se consideran otros factores que influyen en el
proceso físico de transmisión de calor como la
rugosidad de la superficie, la magnitud del salto térmico,
el tamaño de la superficie, la velocidad exacta del aire y
la emitancia de la superficie, por tratarse de un cálculo
aproximado.
En la practica se suele utilizar el coeficiente de
resistencia térmica superficial, que el recíproco
del coeficiente superficial de transmisión del calor,
referidos a superficies exteriores (Rse=1/he) e
interiores (Rsi=1/hi), y cuyos valores se suelen
obtener experimentalmente. A continuación se muestran los
valores de la resistencia térmica superficial propuestos
por la norma española NBE-CT-79:
Valores de resistencia
térmica superficial propuestos por
[NBE-CT-79]
Se observa como el valor de la resistencia
térmica superficial es reducido en aquellas condiciones
que favorecen la convección, como son el flujo de calor
ascendente (convección natural) y la influencia de viento
al exterior (convección forzada).
En los cálculos de transmisión de calor
entre ambientes (conducción aire-aire) los valores de la
resistencia superficial se incorporan a la resistencia del
cerramiento, como una resistencia en serie más, mediante
la expresión:
De esta ecuación es sencillo deducir el salto
térmico entre el aire y la superficie, de interés
para comprobar el riesgo de
condensaciones superficiales en superficies interiores en
invierno:
Resistencia térmica de
cámaras de aire
La transmisión del calor a través de una
cámara de aire en un cerramiento es similar a la suma de
las resistencias
superficiales de las dos superficies interiores enfrentadas,
siendo prácticamente proporcional a la diferencia de sus
temperaturas, aunque a los procesos de convección natural
y radiación se suma la conducción a través
del aire y el efecto de la convección confinada en un
espacio cerrado, sobre todo cuando el espesor de la cámara
es pequeño.
Para cámaras de aire continuas con aire en reposo
construidas con materiales
constructivos corrientes (emitancia alta) la norma
española NBE-CT-79 propones los siguientes
valores:
Valores de resistencia térmica
de cámaras de aire según [NBE-CT-79]
Estos valores se incorporan como una resistencia en
serie mas para el cálculo de la resistencia térmica
total del cerramiento, y se aplica de manera similar a los casos
anteriores. Se observa que la resistencia térmica
disminuye cuando el flujo es ascendente (convección
natural), cuando el espesor es muy pequeño (incremento de
la conducción) o cuando el espesor es muy grande
(incremento de la convección libre), siendo el espesor
optimo de unos 5 cm.
Cuando la cámara tiene un espesor variable o
cuando el aire no está en reposo por tratarse de una
cámara ventilada, la estimación de su resistencia
térmica es mucho más compleja. La introducción de un flujo de aire en la
cámara, generalmente procedente del exterior, provoca
fenómenos de transferencia de calor arrastrado por el
caudal de aire introducido, el cual sufre una variación de
temperatura en su recorrido, provocando además un
incremento de la convección forzada, e incluso diferencia
locales de temperatura en la cámara según la
proximidad a las tomas de entrada del aire exterior, por lo que
estos casos precisan de un estudio específico de excede al
campo del presente trabajo.
Una tubería de acero al carbono de 2 pulgadas
(DN) (Di= 2.067 pulgadas), (Do= 2.38 pulgadas, K= 25
BTU/h.ft.ºF) y longitud 100ft, se usa para transportar vapor
de agua saturada a 320ºF. La tubería está
cubierta con una capa de aislante (K= 0.033 BTU/h.ft.ºF) y
la pérdida de calor por pie lineal de tubería es de
70 BTU/ft.h. Calcular el flujo de vapor si la capa es de ½
pulgada, la temperatura ambiente es de 80ºF y la superficie
del Aislante está a 135 ºF.
Solución:
K tubería = 25 BTU/h.ft.ºF
To= 320ºF
K aislante = 0.033 BTU/h.ft.ºF
Q/L= 70 BTU/ft.h
Q= Calor transferido
Flujo de
vapor
h= Entalpía del vapor saturado a
320ºF
Conclusiones y Recomendaciones
Para una descripción cuantitativa de los
fenómenos térmicos, es necesaria una
definición cuidadosa de conceptos como: temperatura, calor
y energía interna. Para entender el concepto de
temperatura es útil definir dos frases usadas con
frecuencia, contacto térmico y equilibrio
térmico. Para comprender el significado de contacto
térmico, basta imaginar dos objetos situados en un
recipiente aislado de manera que interactúen entre
sí pero no con el resto de mundo. Si los objetos
están a diferentes temperaturas, entre ellos se
intercambia energía, aun cuando no estén en
contacto físico. El calor es la transferencia de
energía de un objeto a otro como resultado de una
diferencia de temperatura entre los dos. El equilibrio
térmico es una situación en la que dos objetos en
contacto térmico dejan de intercambiar energía por
el proceso de calor ya que los dos alcanzaron la misma
temperatura. Los termómetros son instrumentos que se usan
para medir temperaturas, todos están basados en el
principio de que alguna propiedad física de un sistema
cambia conforme cambia la temperatura del sistema; algunas de
esas propiedades son: el volumen de un líquido, la
longitud de un sólido, la presión de un gas, la
resistencia eléctrica de un conductor, entre otras. Los
termómetros más comunes constan de una masa de
líquido (mercurio o alcohol) que
se expande dentro de un tubo de vidrio capilar
cuando se calienta. La energía interna es toda aquella
energía de un sistema que está asociada con sus
componentes microscópicos (átomos y
moléculas) y que se relaciona con la temperatura de un
objeto. Cuando se calienta una sustancia, se le está
transfiriendo energía al ponerla en contacto con un
ambiente de mayor temperatura, el término calor se usa
así para representar la cantidad de energía
transferida. Es importante comprender la relación a la
cual la energía se transfiere y los mecanismos
responsables de la transferencia. Se conocen tres mecanismos de
transferencia de energía; el proceso de transferencia de
energía que está más claramente asociado con
una diferencia de temperatura es la conducción
térmica. Otro mecanismo es por convección, se ve
cuando la transferencia es por el movimiento del medio que puede
ser aire o agua y el movimiento es por cambios en la densidad. La
tercera forma de transferir energía es radiación.
Todos los objetos radian energía continuamente, un cuerpo
que está más caliente que sus alrededores radia
más energía de la que absorbe, en tanto que un
cuerpo que está más frío que su alrededor
absorbe más energía de la que radia. Las
conclusiones que podemos al estudiar el calor y la energía
son:
1.- El calor se transfiere en forma de
energía
2.- El calor se transfiere de un cuerpo de mayor temperatura a
uno de menor temperatura
3.- La energía se transfiere por tres mecanismos:
conducción, convección y radiación
4.- La temperatura es la medida de la energía interna de
un sistema.
5.- La temperatura se puede medir con los
termómetros y no con sensaciones
térmicas.
Recomendaciones para evitar el recalentamiento de
artefactos eléctricos aplicando los principios de
transferencia de calor:
- Utilizar placas (preferiblemente de aluminio)
que estén en contacto con los circuitos
eléctricos de manera que pueda ocurrir una
transferencia por conducción. - Utilizar un extractor de manera que haya una
transferencia por conducción debido a que el calor va
a ser transferido de los componentes electrónicos
hacia el aire y este será extraído por el
extractor. - Con respecto a la transferencia por
radiación no es posible hacerla en este tipo de
mecanismo.
- "Transferencias de Calor Aplicada a la
Ingeniería", Editorial Limusa, James R. Welty,
primera edición. - "Termodinámica Aplicada", Editorial
McGraw – Hill, primera edición.
- "Termodinámica Aplicada", Editorial
Ediciones URMO, R.M. Helsdon, primera
edición.
Lugo Lugmar
Claudio Márquez
Estudiantes de Petróleo
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