Presentación de los fundamentos de transferencia de calor.

1. PUNTO FIJO, ENERO 2010 AREA DE CONOCIMIENTO: FENÓMENOS DE TRANSPORTE TEMA 4: TRANSFERENCIA DE CALOR Prof. : Ing. Frank M, Botero M. UNEFM Ingeniería

2. TRANSFERENCIA DE CALOR. TRANF. CALOR MECANISMOS DIFERENCIA DE TEMPERATURA CONVECCIÓN CONDUCCIÓN RADIACIÓN NATURAL FORZADA EQUIPOS DISEÑO DE INTERCAMBIAD.

3. La transferencia de calor es aquella ciencia que busca predecir la transferencia de energía que puede ocurrir entre cuerpos materiales, como resultado de una diferencia de temperatura. TRANSFERENCIA DE CALOR. DIFERENCIA DE TEMPERATURA Sistema (1) Sistema (2) Calor TRANSFERENCIA DE CALOR

4. RELACIÓN ENTRE TRANSFERENCIA DE CALOR, MASA Y CANTIDAD DE MOVIMIENTO. MOVIMIENTO CALOR MASA LEY Newton. Fourier Fick. FUERZA IMPULSORA Velocidad. Temperatura. Concentración. FLUJO Movimiento. Calor Masa. ECUACIÓN F/A=-µdv/dy q/A=-KdT/dy M/A=-Ddc/dy

5. Convección natural : el movimiento se da por la diferencia de densidades que acarrea una diferencia de temperatura. Convección forzada : cuando el movimiento es inducido externamente. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. Mecanismos de transmisión de calor Conducción : transferencia de energía desde cada porción de materia a la materia adyacente por contacto directo, sin intercambio, mezcla o flujo de cualquier material. Convección : transferencia de energía por acción combinada de conducción de calor, almacenamiento de energía y movimiento de materia. Radiación : transferencia de energía mediada por ondas electromagnéticas, emanadas por los cuerpos calientes y absorbidas por los cuerpos fríos.

6. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.

7. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.

8. (Estado estacionario) TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN. Ley de Fourier: 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 Gradiente de temperatura ( K/m ): variación de la temperatura en la dirección indicada por x . Superficie ( m 2 ): superficie a través de la cual tiene lugar la transmisión de calor Velocidad de flujo de calor Watts X

9. K Sólido > K Líquido > K Gases TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN. Conductividades térmicas de algunos materiales a temperatura amb. Es importante señalar que la conductividad térmica varía con la temperatura, dirección, presión y naturaleza del material.

10. Integración de la ecuación de Fourier TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN. FLUJO DE CALOR A TRAVÉS DE ESTRUCTURAS DE CONFIGURACIÓN GEOMÉTRICA SIMPLE Y COMPUESTA. PARED SENCILLA PLANA. LADO FRIO LADO CALIENTE Espesor x A T 2 T 1 Q

11. Similitud con circuitos eléctricos: TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN. RESISTENCIAS TERMICAS: Cuando el calor se transfiere a través de una pared aparece una resistencia a la conducción X T 1 T 2 Conductividad Resistencia térmica en W -1 ·m 2 ·K

12. W -1 ·m 2 ·K TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN. A T0 T3 LADO FRIO LADO CALIENTE xa A A q xb xc q Ka Kb Kc T1 T2 PARED PLANA COMPUESTA. , ,

13. Integrando se obtiene: Recordemos: Entonces: TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN. T o T i r ri ro i = interior o = exterior r = radio PARED CILINDRICA SIMPLE.

14. La temperatura es una función logarítmica entonces: TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN. Recordemos: y ri ro PARED CILINDRICA SIMPLE.

15. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN. T 1 T 3 K a K b T 2 PARED CILINDRICA COMPUESTA. R a R b T 0 Q T 3 Q

16. Integrando se obtiene: TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN. Recordemos: Entonces: ESFERA HUECA.

17. 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, convección forzada. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN. Convección natural Flujo laminar Flujo turbulento Convección forzada

18. Para transferencia de calor Re > 10.000 Flujo turbulento Re  2.000 Flujo laminar 10000  Re > 2.100 Zona de transición TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN.

19. PERFILES DE VELOCIDAD TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN. Distancia Velocidad Velocidad Distancia Laminar Turbulento

20. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN. Coeficiente individual de transferencia de calor. Temperatura del fluido Temperatura de la pared en contacto con el fluido. Coeficiente de Trans. Calor. Densidad de flujo de calor

21. UNEFM Ingeniería TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN. AREA DE CONOCIMIENTO: FENÓMENOS DE TRANSPORTE TEMA Nº 4: TRANSFERENCIA DE CALOR Coeficiente individual de transferencia de calor. Valores típicos del coeficiente de convección o transferencia de calor

22. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN. Temperatura superficial Temperatura del fluido libre Coeficiente de convección Superficie de intercambio T superficial T fluido libre Capa límite  T Ley de enfriamiento de Newton.

23. APLICACIÓN DE MECANISMOS COMBINADOS. T 1 = Temp. fluido caliente. T 4 = Temp. fluido frío. T 2 ,T 3 = Temp. fluido frío. ∆ x= Espesor. h i = Coef. Convectivo interno. h 0 = Coef. Convectivo externo T 1 y T 4 = cttes en estado estacionario. Considere una placa rodeada por un fluido caliente y uno frío, como se muestra: LADO FRIO LADO CALIENTE Espesor ∆ x A h 0 h i Q T 1 T 2 T 3 T 4

24. APLICACIÓN DE MECANISMOS COMBINADOS. Considere una placa rodeada por un fluido caliente y uno frío, como se muestra: LADO FRIO LADO CALIENTE Espesor ∆ x A h 0 h i Q T 1 T 2 T 3 T 4

25. APLICACIÓN DE MECANISMOS COMBINADOS. Del ejemplo anterior: , En función del área externa Coeficientes globales de transferencia de calor (U):