INTRODUCCION En muchas aplicaciones prácticas de conversión de energía, la conducción y la convección de calor ocurren simultáneamente con una cantidad significativa de radiación térmica. Ejemplos concretos de estos sistemas son los motores de combustión interna, turbinas térmicas y hornos industriales. Por ejemplo, en hornos que queman combustibles fósiles, el dióxido de carbono y el vapor de agua, formados como productos de la combustión, absorben y emiten cantidades significativas de radiación térmica. La participación del medio también puede ser apreciable en las cámaras de combustión de los motores. Otros ejemplos de transferencia de calor por modos combinados se pueden encontrar en los hornos de fundición de vidrio, explosiones nucleares, propulsión de cohetes, fenómenos ambientales y procesos de enfriamiento en dispositivos dispositivos electrónicos. O por tan solo poner a calentar el agua, en este informe explicaremos los medios por los cuales hay cambios de temperatura t emperatura,, y estos se dan por medios de transferencia de calor por:
TRANSFERENCIA TRANSFERENCI A DE CALOR POR CONDUCCION
TRANSFERENCIA TRANSFERENCI A DE CALOR POR CONVECCION
TRANSFERENCIA TRANSFERENCI A DE CALOR POR RADIACION RADIACIO N
En este informe explicaremos un poco acerca del tema “TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCION” CONVECCION”
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CONDUCCION DE CALOR
La conducción de calor o transmisión de calor por conducción es un proceso de transmisión de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos, sin intercambio de materia, por el que
el calor fluye
mayor temperatura a
desde otro
un
cuerpo de
de
menor
temperatura que está en contacto con el primero. La propiedad física de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor
es
la conductividad
térmica.
La
propiedad inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor. La transmisión de calor por conducción, entre dos cuerpos o entre diferentes partes de un cuerpo, es el intercambio de energía interna, que es una combinación de la energía cinética y energía
potencial de
sus
partículas
microscópicas: moléculas, átomos y electrones. La conductividad térmica de la materia depende de su estructura microscópica: en un fluido se debe principalmente a colisiones aleatorias de las moléculas; en un sólido depende del intercambio de electrones libres (principalmente en metales) o de los modos de vibración de sus partículas microscópicas (dominante en los materiales no metálicos). Para el caso simplificado de flujo de calor estacionario en una sola dirección, el calor transmitido es proporcional al área perpendicular al flujo de calor, a la conductividad del material y a la diferencia de temperatura, y es inversamente proporcional al espesor:
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Procesos de transferencia de calor El calor se transfiere por medio de alguno de los siguientes procesos:
Conducción: transmisión de calor por contacto sin transferencia de materia.
Convección: transmisión de calor propia materia portadora del calor.
por
la
transferencia
de
la
Radiación: transmisión de energía por medio de la emisión de ondas electromagnéticas o fotones.
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Transferencia de calor La transferencia de energía térmica o calor entre dos cuerpos diferentes por conducción o convección requiere el contacto directo de las moléculas de diferentes cuerpos, y se diferencian en que en la primera no hay movimiento macroscópico de materia mientras que en la segunda sí lo hay. Para la materia ordinaria la conducción y la convección son los mecanismos principales en la "materia fría", ya que la transferencia de energía térmica por radiación sólo representa una parte minúscula de la energía transferida. La transferencia de energía por radiación aumenta con la cuarta potencia de la temperatura (T4), siendo sólo una parte importante a partir de temperaturas superiores a varios miles de kelvin. Es la forma de transmitir el calor en cuerpos sólidos; se calienta un cuerpo, las moléculas que reciben directamente el calor aumentan su vibración y chocan con las que las rodean; estas a su vez hacen lo mismo con sus vecinas hasta que todas las moléculas del cuerpo se agitan. Por esta razón, si el extremo de una varilla metálica se calienta con una llama, transcurre cierto tiempo hasta que el calor llega al otro extremo. El calor no se transmite con la misma facilidad por todos los cuerpos. Existen los denominados "buenos conductores del calor", que son aquellos materiales que permiten el paso del calor a través de ellos. Los "malos conductores o aislantes" son los que oponen mucha resistencia al paso de calor.
Ley de Fourier La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier, que establece que el flujo de transferencia de calor por conducción en un medio isótropo es proporcional y de sentido contrario al gradiente de temperatura en esa dirección. De forma vectorial:
es el vector de flujo de calor por unidad de superficie (W m-2). es una constante de proporcionalidad, llamada conductividad térmica (W m1 K-1). es el gradiente del campo de temperatura en el interior del material ( K m-1).
De forma integral, el calor que atraviesa una superficie S por unidad de tiempo viene dado por la expresión:
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El caso más general de la ecuación de conducción, expresada en forma diferencial, refleja el balance entre el flujo neto de calor, el calor generado y el calor almacenado en el material.
Conductividad térmica La conductividad térmica es una propiedad intrínseca de los materiales que valora la capacidad de conducir el calor a través de ellos. El valor de la conductividad varía en función de la temperatura a la que se encuentra la sustancia, por lo que suelen hacerse las mediciones a 300 K con el objeto de poder comparar unos elementos con otros. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los gases (a pesar de que en ellos la transferencia puede hacerse a través de electrones libres) y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos. Para que exista conducción térmica hace falta una sustancia, de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío elevado. En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de calor, bien utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con un elevado área de contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se desea minimizar el efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales de baja conductividad térmica, vacíos intermedios, y se disponen en configuraciones con poca área de contacto.
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El coeficiente de conductividad térmica (λ) expresa la cantidad o flujo de calor que pasa a través de la unidad de superficie de una muestra del material, de extensión infinita, caras planoparalelas y espesor unidad, cuando entre sus caras se establece una diferencia de temperatura igual a la unidad, en condiciones estacionarias. En el sistema internacional la conductividad térmica se expresa en unidades de W ⋅m1⋅K-1 ( J/s⋅m-1⋅°C-1). También puede expresarse en unidades de British thermal units por hora por pie por grado Fahrenheit ( Btu ⋅h-1⋅ft-1⋅°F-1). Estas unidades pueden transformarse a W/(m·K) empleando el siguiente factor de conversión: 1 Btu/(h·ft·°F) = 1,731 W/(m·K).
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Convección La convección es
una
de
las
tres
formas
de transferencia de calor. Se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (líquido o gas) que
transporta
el
calor
diferentes temperaturas.
entre
La
zonas
convección
con se
produce únicamente por medio de materiales, la evaporación del agua o fluidos. La convección en sí es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido. Por ejemplo, al trasegar mediante bombas o al calentar agua en una cacerola, el agua en contacto con la base de la cacerola asciende, mientras que el agua de la superficie, desciende y ocupa el lugar que dejó la caliente. La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos
macroscópicos
de
porciones
calientes y frías de un gas o un líquido. Incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba,
un ventilador u
otro
dispositivo
mecánico (convección mecánica, forzada o asistida). En la transferencia de calor libre o natural, un fluido es más caliente o más frío. En contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el f luido. La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley de enfriamiento de Newton:
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Donde h es el coeficiente de convección (o coeficiente de película ), A s es el área del cuerpo en contacto con el f luido, Ts es la temperatura en la superficie del cuerpo y T inf es la temperatura del fluido lejos del cuerpo.
La convección en la atmósfera La convección en la atmósfera terrestre involucra la transferencia de enormes cantidades del calor absorbido por el agua. Forma nubes de gran desarrollo vertical (por ejemplo, cúmulos congestus y, sobre todo, cumulonimbos, que son los tipos de nubes que alcanzan mayor desarrollo vertical). Estas nubes son las típicas portadoras de tormentas eléctricas y de grandes precipitaciones. Al alcanzar una altura muy grande (por ejemplo, unos 12 o 14 km) y enfriarse violentamente, pueden producir tormentas de granizo, ya que las gotas de lluvia se van congelando al ascender violentamente y luego se precipitan al suelo ya en estado sólido. Pueden tener forma de un hongo asimétrico de gran tamaño; y a veces se forma en este tipo de nubes una estela que semeja una especie de yunque (anvil's head, como se conoce en inglés).
El proceso que origina la convección en el seno de la atmósfera es sumamente importante y genera una serie de fenómenos fundamentales en la explicación de los vientos y
en
la
formación
de nubes, vaguadas, ciclones, anti
ciclones, precipitaciones, etc. Todos los procesos y mecanismos de convección del calor atmosférico obedecen a las leyes físicas de la Termodinámica. De estos 8
procesos es fundamental el que explica el ciclo del agua en la naturaleza o ciclo hidrológico. Casi todos los fenómenos antes nombrados tienen que ver con este último mecanismo.
También se denomina ciclo hidrológico o ciclo del agua al recorrido del agua en la atmósfera por la capacidad que tiene el agua de absorber calor y cederlo gracias a la capacidad que tiene de transformarse de un estado físico a otro. A grandes rasgos, el ciclo hidrológico funciona de la siguiente manera: los rayos solares calientan las superficies de las aguas marinas y terrestres las cuales, al absorber ese calor, pasan del estado líquido al gaseoso en forma de vapor de agua. El vapor asciende hasta cierta altura y al hacerlo, pierde calor, se condensa y forma las nubes, que están constituidas por gotas de agua muy pequeñas que se mantienen en suspensión a determinada altura. Cuando esta condensación se acelera, por el propio ascenso de la masa de nubes (convección), se forman nubes de mayor desarrollo vertical, con lo que las gotas aumentan de tamaño y forman las precipitaciones, que pueden ser tanto sólidas (nieve, granizo) como acuosas (lluvia), dependiendo de la temperatura. Estas precipitaciones pueden caer tanto en el mar como en las tierras emergidas. Por último, parte del agua que se precipita en los continentes e islas pasa de nuevo a la atmósfera por evaporación o produce corrientes fluviales que llevan de nuevo gran parte de las aguas terrestres a los mares y océanos, con lo que se cierra el ciclo, el cual vuelve a repetirse.
Comportamiento de un fluido cualquiera en la transferencia de calor
Cuando un fluido cede calor sus moléculas se desaceleran por lo cual su temperatura disminuye y su densidad aumenta siendo atraída sus moléculas por la gravedad de la tierra. Cuando el fluido absorbe calor sus moléculas se aceleran por lo cual su temperatura aumenta y su densidad disminuye, lo que lo hace más liviano. El fluido más frío tiende a bajar y ocupa el nivel más bajo de la vertical y los fluidos más calientes son desplazados al nivel más alto, creándose así 9
los vientos de la tierra. La transferencia térmica convectiva consiste en el contacto del fluido con una temperatura inicial con otro elemento o material con una temperatura diferente En función de la variación de las temperaturas, variarán las cargas energéticas moleculares del fluido, y los elementos interactuantes del sistema realizarán un trabajo, donde el que tiene mayor energía o temperatura se la cederá al que tiene menos temperatura. Esta transferencia térmica se realizará hasta que los dos tengan igual temperatura; mientras se realiza el proceso las moléculas con menor densidad tenderán a subir y las de mayor densidad bajarán de nivel. Las moléculas que se encuentran en las capas inferiores aumentan su temperatura.
Intercambiadores de calor Un intercambiador de calor es un dispositivo
construido
para
intercambiar
eficientemente
el
calor de un fluido a otro, tanto si los fluidos están separados por una pared sólida para prevenir su mezcla,
como
contacto
si
están
directo.
en Los
cambiadores de calor son muy usados
en refrigeración, acondicionamiento
de
aire, calefacción, producción
de
energía, y procesamiento químico. Un ejemplo básico de un cambiador de calor es el radiador de un coche, en el que el líquido de radiador caliente es enfriado por el flujo de aire sobre la superficie del radiador. Las
disposiciones
más
comunes
de
cambiadores
de
calor
son flujo
paralelo, contracorriente y flujo cruzado. En el flujo paralelo, ambos fluidos se mueven en la misma dirección durante la transmisión de calor; en contracorriente, los fluidos se mueven en sentido contrario y en flujo cruzado los fluidos se mueven formando un ángulo recto entre ellos. Los tipos más comunes de cambiadores de calor son de carcasa y tubos, de doble tubo, tubo extruido con aletas, tubo de aleta espiral, tubo en U, y de placas. Puede obtenerse más información sobre los flujos y configuraciones de los cambiadores de calor en el artículo intercambiador de calor. 10
Cuando los ingenieros calculan la transferencia teórica de calor en un intercambiador, deben lidiar con el hecho de que el gradiente de temperaturas entre ambos fluidos varía con la posición. Para solucionar el problema en sistemas simples, suele usarse la diferencia de temperaturas media logarítmica (DTML) como temperatura 'media'. En sistemas más complejos, el conocimiento directo de la DTML no es posible y en su lugar puede usarse el método de número de unidades de transferencia (NUT).
La transmisión de calor por convección puede ser: Forzada: a través de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el fluido a través de una zona caliente y éste transporta el calor hacía la zona fría.
Natural: el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su densidad haciendo que se desplace hacía la zona más fría donde cede su calor.
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CONVECCIÓN NATURAL En convección natural el flujo resulta solamente de la diferencia de temperaturas del fluido en la presencia de una fuerza gravitacional. La densidad de un fluido disminuye con el incremento de temperatura. En un campo gravitacional, dichas diferencias en densidad causadas por las diferencias en temperaturas originan fuerzas de flotación. Por lo tanto, en convección natural las fuerzas de flotación generan el movimiento del fluido. Sin una fuerza gravitacional la convección natural no es posible. En convección natural una velocidad característica no es fácilmente disponible. Algunos ejemplos de transferencia de calor por convección natural son: el enfriamiento de café en una taza, transferencia de calor de un calefactor, enfriamiento de componentes electrónicos en computadoras sin ventilador para enfriar, y la transferencia de calor del cuerpo humano cuando una persona está en descanso.
La convección natural es inducida solamente por fuerzas de flotación, y por tanto, en ella no existe una velocidad de convección forzada bien definida. En convección natural el flujo resulta solamente de la diferencia de temperaturas de fluido
en
la presencia de una fuerza gravitacional,la densidad de un fluido disminuye con el aum ento de latemperatura. En un campo
gravitacional, dichas diferencias en densidad
causadas por las diferencias de temperaturas originan fuerzas de f lotación. Las corrientes naturales de convección hacen que el aire caliente suba y el frío baje. En una habitación con una fuente de calor como una estufa, a medida que el aire de abajo se va calentando en contacto con la estufa, va subiendo y hace bajar el aire que se va enfriando generando dichas corrientes convectivas.
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El
mecanismo
de
transferencia
de
energía
por
convección natural incluye el movimiento de un fluido alrededor de una frontera solida, como resultado de las
diferencias
de
densidad
que
resultan
del
intercambio de energía. A causa de esto, es muy natural que los coeficientes de transferencia de calor así como las ecuaciones que la relacionan, varíen de acuerdo con la geometría de un sistema dado. Los principios que guarda este tipo de mecanismo son: •Régimen estacionario. •Propiedades físicas constantes. •Régimen laminar. •Temperatura de las paredes constante ( T1 y T2 ). •Paredes muy largas (en z ) : T(y)
DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN NATURAL
Dónde:
En estas ecuaciones las variables son: A,a,b : b : r : m : g : D : L : Cp :
constantes dependientes del sistema en consideración coeficiente de expansión densidad viscosidad aceleración de la gravedad diámetro longitud Calor específico a presión constante 13
Convección Natural Sobre Superficies La transferencia de calor por convección natural sobre una superficie depende tanto de la configuración geométrica de dicha superficie como de la variación de temperatura que halla sobre esta y de las propiedades termofísicas del fluido que interviene en este proceso.
Por la complejidad del movimiento del fluido se hace difícil la obtención de expresiones analíticas sencillas para la transferencia de calor en convección natural, pero por medio de estudios experimentales se llegan a unas expresiones sencillas para las mas usadas. Las correlaciones empíricas para el numero promedio de Nusselt es:
Donde RaL es el número de Rayleigh
Los valores de las constantes C y n dependen de la configuración geométrica de la superficie y del régimen de flujo. El valor de n suele ser de ¼ para flujo laminar 1/3 para el turbulento, y C normalmente es menor de 1.
CONVECCIÓN FORZADA El flujo de convección forzada puede ser laminar o turbulento, interior o exterior a la tubería e involucrar cambios de fase tales como cuando un fluido está calentándose. Solo se estudiará la situación en la que se tenga un líquido o un gas que fluye en el interior de un tubo en un flujo turbulento Se utiliza un medio externo, tal como un ventilador o una bomba, para acelerar el paso del flujo del fluido sobre la cara del sólido. El movimiento rápido de las partículas de fluido sobre la cara del sólido maximiza el gradiente de temperatura y aumenta la tasa de intercambio de calor. En la imagen a continuación se fuerza aire sobre una placa caliente.
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Convección Externa Forzada placas planas El flujo en la capa limite se inicia como laminar pero si la placa es suficientemente larga, el flujo se volverá turbulento a una distancia x, donde el numero de Reynolds alcanza un valor critico. El número de Reynolds a una distancia x para una placa plana se expresa como:
Convección Externa Forzada en cilindros y esferas El número de Re, para superficies de este tipo esta denominado por: Re = VD/v, donde V es la velocidad uniforme del fluido al aproximarse al cilindro o esfera. El número de Reynolds crítico para el flujo que pasa a través de un cilindro circular o una esfera es alrededor
15
Convección Externa Forzada en banco de tubos
16
Ejemplo: Si enciendo un radiador y espero a que alcance una temperatura bastante alta, no tengo más que poner una mano encima (a una distancia prudencial) para ver que existe un flujo de aire por convección natural. El aire alrededor del radiador se calienta disminuyendo su densidad, por lo tanto, al pesar menos que el aire ambiente, fluye hacía arriba dando paso a un “aire de renovación”
alrededor
del
radiador,
reiniciando el proceso de forma cíclica.
Finalmente, imagen
os
dejamos
que
una
resume
perfectamente los tres métodos de
transferencia
conducción,
de
calor:
convección
y
radiación.
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INDICE Introducción …………………………………………………………………….……1 CONDUCCION DE CALOR
…………………………………………………… .…..2
Procesos de transferencia de calor Ley de Fourier
…………………………………………………………………4
Conductividad térmica
Convección
…………………………………….....3
………………………………………………...………5
………………………………………………………………………… 7
La convección en la atmósfera …………………………………………….….8 Comportamiento de un fluido cualquiera en la transferencia de calor…… ...9 Intercambiadores de calor
……………………………………………....10
Convección Natural …………………………………………………………… .….12 Convección Natural Sobre Superficies ………………………………….…..14
Convección Forzada
………………………………………………… .……14
Convección Externa Forzada placas planas
………….…….…...15
Convección Externa Forzada en cilindros y esferas
………………..……15
Convección Externa Forzada en banco de tubos
………………..……16
Ejemplo
………………………………………………………………… ..……..17
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BIBLIOGRAFIA
Lestina, Thomas; Serth, Robert W. (2010). Process Heat Transfer: Principles, Applications and Rules of Thumb. Academic Press.
Jiji, Latif M. (2009). Heat Conduction. Springer.
Kreith, Frank; Manglik, Raj M.; Bohn, Mark S. (2012). Principles of Heat Transfer . Cengage Learning.
https://nergiza.com/radiacion-conduccion-y-conveccion-tres-formas-detransferencia-de-calor/
http://www.cecatherm.com/calefaccion-radiante/radiacion-conveccionconduccion
http://www.cimec.org.ar/ojs/index.php/mc/article/view/1512/1477
http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-165.htm
http://www.monografias.com/trabajos94/conveccion-natural-y-conveccionforzada/conveccion-natural-y-conveccion-forzada.shtml
http://www.upv.es/upl/U0296622.pdf
https://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2012/01/clase-deconveccion1.pdf
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