UNIVERSIDAD PRIVADA DEL VALLESERVICIOS DE LABORATORIOLABORATORIO
DE PROCESOS INDUSTRIALES
UNIVERSIDAD PRIVADA DEL VALLEPRACTICA N 1
Transferencia de calor
1.- OBJETIVOComprender el proceso de transferencia de calor y
determinar prdidas de calor/energa en el sistema.
2.- MARCO TERICOTransmisin de calorEn fsica, la transferencia de
calor es el paso de energa trmica desde un cuerpo de mayor
temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo, por
ejemplo, un objeto slido o un fluido, est a una temperatura
diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de
energa trmica, tambin conocida como transferencia de calor o
intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su
entorno alcancen equilibrio trmico. La transferencia de calor
siempre ocurre desde un cuerpo ms caliente a uno ms fro, como
resultado de la Segunda ley de la termodinmica. Cuando existe una
diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del
otro, la transferencia de calor no puede ser detenida; solo puede
hacerse ms lenta.Intercambiador de calorUn intercambiador de calor
es un dispositivo construido para intercambiar eficientemente el
calor de un fluido a otro, tanto si los fluidos estn separados por
una pared slida para prevenir su mezcla, como si estn en contacto
directo. Los cambiadores de calor son muy usados en refrigeracin,
acondicionamiento de aire, calefaccin, produccin de energa, y
procesamiento qumico. Un ejemplo bsico de un cambiador de calor es
el radiador de un coche, en el que el lquido de radiador caliente
es enfriado por el flujo de aire sobre la superficie del
radiador.Las disposiciones ms comunes de cambiadores de calor son
flujo paralelo, contracorriente y flujo cruzado. En el flujo
paralelo, ambos fluidos se mueven en la misma direccin durante la
transmisin de calor; en contracorriente, los fluidos se mueven en
sentido contrario y en flujo cruzado los fluidos se mueven formando
un ngulo recto entre ellos. Los tipos ms 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 ms informacin sobre los flujos y configuraciones de los
cambiadores de calor en el artculo intercambiador de calor.Cuando
los ingenieros calculan la transferencia terica de calor en un
intercambiador, deben lidiar con el hecho de que el gradiente de
temperaturas entre ambos fluidos vara con la posicin. Para
solucionar el problema en sistemas simples, suele usarse la
diferencia de temperaturas media logartmica (DTML) como temperatura
'media'. En sistemas ms complejos, el conocimiento directo de la
DTML no es posible y en su lugar puede usarse el mtodo de nmero de
unidades de transferencia (NUT).Los mecanismos de transferencia de
energa trmica son de tres tipos: Conduccion Conveccin trmica
Radiacin trmicaConduccin de calorLa conduccin de calor es un
mecanismo de transferencia de energa trmica entre dos sistemas
basado en el contacto directo de sus partculas sin flujo neto de
materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y
entre diferentes cuerpos en contacto por medio de ondas.La
conduccin del calor es muy reducida en el espacio vaco y es nula en
el espacio vaco ideal, espacio sin energa.El principal parmetro
dependiente del material que regula la conduccin de calor en los
materiales es la conductividad trmica, una propiedad fsica que mide
la capacidad de conduccin de calor o capacidad de una substancia de
transferir el movimiento cintico de sus molculas a sus propias
molculas adyacentes o a otras substancias con las que est en
contacto. La inversa de la conductividad trmica es la resistividad
trmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso
del calor.La transferencia de energa trmica o calor entre dos
cuerpos diferentes por conduccin o conveccin requiere el contacto
directo de las molculas de diferentes cuerpos, y se diferencian en
que en la primera no hay movimiento macroscpico de materia mientras
que en la segunda s lo hay. Para la materia ordinaria la conduccin
y la conveccin son los mecanismos principales en la "materia fra",
ya que la transferencia de energa trmica por radiacin slo
representa una parte minscula de la energa transferida. La
transferencia de energa por radiacin aumenta con la cuarta potencia
de la temperatura (T4), siendo slo una parte importante a partir de
temperaturas superiores a varios miles de kelvin.
La conductividad trmicaLa conductividad trmica es una propiedad
intrnseca de los materiales que valora la capacidad de conducir el
calor a travs de ellos. El valor de la conductividad vara en funcin
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 travs de electrones
libres) y en materiales inicos y covalentes, siendo muy baja en
algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se
denominan por eso aislantes trmicos. Para que exista conduccin
trmica hace falta una sustancia, de ah que es nula en el vaco
ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vaco
elevado.En algunos procesos industriales se trabaja para
incrementar la conduccin de calor, bien utilizando materiales de
alta conductividad o configuraciones con un elevado rea de
contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se
desea minimizar el efecto de la conduccin, para lo que se emplean
materiales de baja conductividad trmica, vacos intermedios, y se
disponen en configuraciones con poca rea de contacto.El coeficiente
de conductividad trmica () expresa la cantidad o flujo de calor que
pasa a travs de la unidad de superficie de una muestra del
material, de extensin infinita, caras plano paralelas y espesor
unidad, cuando entre sus caras se establece una diferencia de
temperaturas igual a la unidad, en condiciones estacionarias. La
conductividad trmica se expresa en unidades de W/mK (J/s m C).La
conductividad trmica tambin puede expresarse en unidades de British
thermal units por hora por pie por grado Fahrenheit (Btu/hftF).
Estas unidades pueden transformarse a W/mK empleando el siguiente
factor de conversin: 1 Btu/hftF = 1,731 W/mK.ConveccinLa conveccin
es una de las tres formas de transferencia de calor y se
caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido (aire,
agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes
temperaturas. La conveccin se produce nicamente por medio de
materiales fluidos. Estos, al calentarse, aumentan de volumen y,
por lo tanto, su densidad disminuye y ascienden desplazando el
fluido que se encuentra en la parte superior y que est a menor
temperatura. Lo que se llama conveccin en s, es el transporte de
calor por medio de las corrientes ascendente y descendente del
fluido.La transferencia de calor implica el transporte de calor en
un volumen y la mezcla de elementos macroscpicos de porciones
calientes y fras de un gas o un lquido. Se incluye tambin el
intercambio de energa entre una superficie slida y un fluido o por
medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecnico
(conveccin mecnica, forzada o asistida).En la transferencia de
calor libre o natural un fluido es ms caliente o ms fro y en
contacto con una superficie slida, causa una circulacin debido a
las diferencias de densidades que resultan del gradiente de
temperaturas en el fluido.La transferencia de calor por conveccin
se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:
Donde h es el coeficiente de conveccin ( coeficiente de
pelcula), As es el rea del cuerpo en contacto con el fluido, Ts es
la temperatura en la superficie del cuerpo y Tinf es la temperatura
del fluido lejos del cuerpo.Comportamiento de un fluido cualquiera
en la transferencia de calorCuando un fluido cede calor sus
molculas se desaceleran por lo cual su temperatura disminuye y su
densidad aumenta siendo atrada sus molculas por la gravedad de la
tierra.Cuando el fluido absorbe calor sus molculas se aceleran por
lo cual su temperatura aumenta y su densidad disminuye hacindolo ms
liviano.El fluido ms fro tiende a bajar y ocupa el nivel ms bajo de
la vertical y los fluidos ms calientes son desplazados al nivel ms
alto, crendose as los vientos de la tierra.La transferencia trmica
convectiva consiste en el contacto del fluido con una temperatura
inicial con otro elemento o material con una temperatura diferente,
en funcin de la variacin de las temperaturas van a variar las
cargas energticas moleculares del fluido y los elementos inter
actuantes del sistema realizaran un trabajo, donde el que tiene
mayor energa o temperatura se la ceder al que tiene menos
temperatura esta transferencia trmica se realizar hasta que los dos
tengan igual temperatura, mientras se realiza el proceso las
molculas con menor densidad tendern a subir y las de mayor densidad
bajarn de nivel.3.- EQUIPO Y MATERIALES Y REACTIVOS
Caldero. Termmetro infrarrojo. Flexmetro. Tablas propiedades de
aislantes. Termmetro de bulbo.
4.- PROCEDIMIENTO1. Medir las dimensiones del contenedor de
ladrillo refractario.2. Tomar la temperatura de la superficie de l
contenedor de ladrillo refractario.3. Medir el espesor de la chapa
de acero.
5.- MEDICIN (Datos) Taire = 21C T1=
99.5CT2=98.6CT3=90.2CT4=92.6Datos complementarios
T[K] x 106 [m2/s]Kf [W/mC]Pr
30015.690.026240.708
331.25xxx
35020.760.030030.697
6.- CLCULOSCalculo de reas:Para poder calcular las areas
dividimos la figura en 2 partes una un trapecio y la inferior una
parte d un circunferencia.
Para el rea 1742 - ( 536 470 ) = 672672 = 183 + 2xX = 244.5C =
470 - 244C = 401.397
= 0.17159 [m2]Para el rea 2
A2=0.092526m2Luego sumamos las 2 areasA = A1 + A2A= 0.17159 +
0.092526m2A = 0.26411m2
Calculo de Temperaturas:Taire = 21C T1=
99.5CT2=98.6CT3=90.2CT4=92.6Hallamos una temperatura promedio para
asumir una superficie isotermaTPARED = T1 + T2 + T3 + T4 TPARED =
95.2C 368.35KCalculo de transferencia de calor:Primeramente
calculamos la temperatura promedio
331,25 Ahora con ese dato calculamos B que seria el inverso de
la temperatura promedio es decir
Ahora de la tabla ya mostrada anteriormente llenamos con los
valores interpolados
T[K] x 106 [m2/s]Kf [W/mC]Pr
30015.690.026240.708
331.2518.8590.02860.7011
35020.760.030030.697
Teniendo esos datos ahora calculamos el Gr tomando en cuenta com
dimensin principal la tomada en laboratorio
Ahora necesitamos leer de las tablas C y mPara ello calculamosDe
tablas:Gr x Pr= (1229893795)(0.7011)C = 0.59Gr x Pr=862155550 m
=
Ahora calculamos Nu
101.095
Teniendo Nu nos falta calcular h
7.- CONCLUCIONESSe ha logrado comprender el proceso de
transferencia de calor y determinar prdidas de calor/energa en el
sistema segn los clculos realizados.
8.- BIBLIOGRAFAEs.wikipedia.org/wiki/transferencia_de_calor
