Transferencia de calor por por convección
OPERACIONES FARMACÉUTICAS PROF.: PROF .: EDG AR BARRE RA B.
La transferencia de calor por convección se debe principalmente por movimientos de fluidos. En donde un fluido frío adyacente a superficies calientes recibe calor que luego transfiere al resto del fluido frío mezclándose con él.
En la transferencia de calor de muchos procesos industriales, el calor pasa de un fluido a otro a través de una pared sólida. El calor transmitido puede ser calor latente, que va acompañado de un cambio de fase tal como vaporización o condensación. O puede ser calor sensible procedente del aumento o disminución de la temperatura de un fluido sin cambio de fase.
El gradiente de temperatura depende de la rapidez a la que el fluido conduce el calor; una velocidad alta produce un gradiente de temperatura más grande. Por tanto, el gradiente de temperatura sobre la pared depende del campo de flujo.
Para expresar el efecto total de la convección, utilizamos la ley de enfriamiento de Newton: q = hA(Tw - T) h es coeficiente de transferencia de calor A es el área en m 2 T o T1 es la temperatura general o promedio del fluido en K Tw o T2 es la temperatura de la pared o placa en contacto con el fluido
en K ca lor en W. W. q es la velocidad de transferencia de calor
En unidades del sistema inglés, q se da en btu/h. h en btul h . pie 2 oF, A en pie2 y tanto T y Tw en oF.
Ejemplo 1 Se sopla aire a 20 oC sobre una placa caliente de 50 X 75 cm que se mantiene a 250 oC. El coeficiente de transferencia de calor por convección es 25 W/m2*oC. Calcule la transferencia transferenci a de calor. q = hA(Tw - T) R= 2.156 kW
Ejemplo 2 Se hace pasar una corriente eléctrica a través de un alambre de 1 mm de diámetro y 10 cm de largo. Se sumerge el alambre en agua a presión atmosférica, y se incrementa la corriente hasta que el agua hierve.
Para esta situación h = 5000 W/m2*oC y la temperatura del agua será 100 oC. Cuanta energía eléctrica se necesitará enviar al alambre para mantener su superficie a 114 oC? R= 21.99 W
Ejercicio Una sección de 200 ft de longitud y 4 in de diámetro de una pipa de vapor pasa a través de un espacio abierto a 50 oF, si la temperatura del vapor calienta cali enta las paredes de la pipa a 280 oF.
Determinar la velocidad de calor perdido de las paredes de la pipa al medio ambiente en la sección expuesta. h= 6 Btu/h. ft 2 .°F R= 289,000 Btu/h
Tipos de flujos Se pueden definir dos clases de flujos, las cuales son:
Los flujos presentes alrededor de cuerpos, como alas, cohetes y barcos, se conocen como flujos externos.
Por otro lado, están los flujos encerrados por fronteras de interés interés que que se se conocen conocen como flujos internos. internos. Ejemplos de éstos incluyen el flujo a través de tuberías, ductos y boquillas.
Para flujos internos……
Cuando un líquido fluye en un tubo horizontal, puede hacerlo en forma de movimiento de torbellino no localizado conocido como flujo turbulento. Si la velocidad del líquido disminuye bajo cierto valor determinado, la naturaleza del flujo cambia y desaparece la turbulencia. Las partículas del fluido fluyen en líneas paralelas a lo largo del eje del tubo, esto se conoce como flujo laminar. laminar.
Experimento de Reynols A la entrada de la tubería se inyecta una tinta que tiene un peso específico igual al del agua. Cuando la válvula de salida está ligeramente abierta, la tinta se moverá a través del tubo de vidrio en forma intacta, indicando la naturaleza ordenada de este flujo.
La velocidad a la que el calor es transferido hacia/o de un líquido a un tubo, es considerablemente menor en el flujo laminar que en el turbulento, y en la práctica industrial es casi siempre deseable evitar condiciones tales como la baja velocidad de un líquido que origina flujo laminar.
Reynolds observó que el tipo de flujo adquirido por un líquido que fluya dentro de un tubo, depende de la velocidad de corriente libre, densidad y viscosidad del líquido, además del diámetro del tubo.
Se ha encontrado que un número de Reynolds de aproximadamente 2,300 denota la inminencia de una transición de flujo laminar a flujo turbulento.
El tipo de flujo, ya sea laminar o turbulento, ejerce un efecto considerable sobre el coeficiente de transferencia de calor h, que suele llamarse coeficiente de película, pues la mayor parte de la resistencia a la transferencia de calor está localizada en la película delgada cercana a la pared. Cuanto más turbulento sea el flujo, más alto será el coeficiente de transferencia tr ansferencia de calor.
La mayoría de las correlaciones para predecir coeficientes de película h son semiempíricas y dependen de las propiedades físicas del fluido, del tipo y velocidad del flujo, de la diferencia de temperaturas y de la geometría del sistema físico individual considerado. Para establecer las relaciones de datos de los coeficientes de transferencia de calor se usan números adimensionales como los de Reynolds , Prandtl y Nusselt.
El número de Nusselt ( N N Nu) se usa para relacionar los datos para el coeficiente de transferencia de calor h con la conductividad térmica k del del fluido.
Un número de Nusselt ( N nu= 1) para una capa de fluido representa transferencia de calor por esta a través de conducción pura.
Convección libre La convección natural o libre, se observa como el resultado del movimiento del fluido debido a cambios de densidad que provienen del proceso de calentamiento, los cuales originan fuerzas de flotación.
Convección forzada En esta segunda clase de convección el flujo se produce por diferencias de presión producidas por una bomba, un ventilador, ventilador, etcétera.
Transferencia de energía por radiación La radiación es la energía emitida por la materia en formas de ondas electromagnéticas (o fotones), como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. En los estudios de transferencia de calor es de interés la radiación térmica, que es la forma de radiación emitida por los cuerpos debido a su temperatura. todos los cuerpos a una temperatura arriba del cero absoluto emiten radiación térmica.
En la conducción de calor a través de sólidos, el mecanismo consiste en la transferencia de energía a través de cuerpos cuyas moléculas, permanecen continuamente en posiciones fijas. En la convección, el calor es primero absorbido de la fuente por partículas de fluido inmediatamente adyacentes a ella y entonces transferido al interior del fluido mezclándose con él.
La transferencia de calor radiante no requiere la intervención de un medio y el calor puede ser transmitido por radiación a través del vacío absoluto. La radiación térmica es una forma de radiación diferente a los rayos X, las ondas de luz, los rayos gamma, etc. Obedece las mismas leyes que la luz, se desplaza en línea recta, puede transmitirse a través del espacio y del vacío.
La energía radiante es de la misma naturaleza que la luz visible ordinaria.
En su sentido más elemental, el mecanismo de transferencia de calor por radiación está constituido por tres etapas o fases:
1. La energía térmica de una fuente de calor, como pared de un horno a Tl, se convierte en energía de las ondas de radiación electromagnética. 2. Estas ondas se desplazan a través del espacio en línea recta y llegan a un objeto frío a T2, como un vaso que contiene el agua que se desea calentar. 3. Las ondas electromagnéticas que chocan contra el cuerpo son absorbidas por éste y se vuelven a transformar en energía o calor.
Cuando la radiación térmica incide sobre un cuerpo, parte de ella es absorbida por éste en forma de calor, otra parte se refleja de regreso al espacio y otra se transmite a través del cuerpo. a
+ r
= 1.0
es la absortividad o fracción absorbida es la reflectividad o fracción reflejada. r es a
La velocidad máxima de radiación que puede ser emitida desde una superficie a una temperatura Ts (en K o 0R) se expresa por la ley de Stefan-Boltzman como: como: 4 q = A s s T s
q es el flujo de calor en W A es el área superficial del
cuerpo en m2 s es una constante igual a 5.676 x l0-8 W/m2 * K 4 (0.1714 x 10 -8 btu/h * pie2 * oR 4) T es la temperatura del cuerpo negro en K.
La superficie idealizada que emite radiación a esta velocidad es conocida como cuerpo negro.
Un cuerpo negro se define como aquel que absorbe toda la energía radiante y no refleja porción alguna de la misma. Por eso para un cuerpo negro, r es 0 y e = 1.0
La relación entre el poder de emisión de una u na superficie y el de un cuerpo negro se llama emisividad e y es 1.0 para un cuerpo negro.
Supongamos que en un cuerpo negro de 1 m2 de área superficial y una temperatura de 400 K se produce una trasferencia de calor por radiación. ¿Cual será la radiación máxima que podrá emitir este material?
R= 1452 W/m2
En general tanto e como a de una superficie, dependen de la temperatura y de la longitud de onda de la radiación. La ley de Kirchhoff enuncia que a una misma temperatura y longitud de onda, los valores absortividad y emisividad de una determinada superficie son iguales, esto es:
a=e
La velocidad a la que radiación se determina de:
una superficie absorbe la
Si la velocidad de absorción de radiación es mayor que la de emisión, se dice que la superficie esta ganando energía por radiación. De lo contrario, se dice que la superficie esta perdiendo energía por radiación.
Las sustancias que tienen emisividades inferiores a 1.0 reciben el nombre de cuerpos grises. La radiación emitida por todas las superficies reales es menor que la emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura y se expresa como: 4- 4 q = e s A s (T s T )
TAREA 5
1.- Investigar y describir que es el factor de visión o factor de forma en el fenómeno de trasferencia de calor por radiación entre entre dos o más más superficies.
Ejercicio 1 Una persona con una temperatura superficial de 32 oC manifiesta una transferencia de calor por radiación en una habitación a temperaturas de pared determinadas en 27 oC. Calcular la velocidad de pérdida de calor de la persona en unidades de SI, bajo las siguientes condiciones: -La transferencia de calor por convección en este ejemplo no se toma en consideración -La emisividad de una persona es constante y uniforme sobre la superficie expuesta, siendo en promedio de 0.7 -En promedio el área superficial de una persona adulta es de 1.7 m2 R= 37.4 W
Tarea 6. Realizar el mismo cálculo pero ahora en unidades del sistema inglés!!
Un tubo horizontal, pequeño y oxidado con DE de 0.0254 m (1 pulg) y longitud igual a 0.61 m (2 pies) tiene una temperatura superficial de 588 K y está encerrado en un horno con paredes de ladrillo refractario a temperatura de 1088 K. La emisividad del tubo metálico es 0.60 a 1088 K. Calcule la transferencia de calor al tubo por radiación en unidades SI. R= -2120W
