Mecanismos de transferencia de calor

1. Ing. Walter Símpalo López

2.  CALOR: Es una forma de transmisión de energía desde
un sistema a los alrededores, o entre dos sistemas, que
surge como consecuencia de una diferencia de
temperaturas
 Definición: Transporte de energía calorífica,
ocasionada por una diferencia de Temperatura.
La transferencia de calor es un fenómeno de transporte
cuya fuerza impulsora es la gradiente de temperatura
(DT)
 Fuerza impulsora: diferencia de temperaturas
q = Energía/Tiempo=J/s = W

3.  Equipos de transferencia de calor:
◦ Intercambiadores de calor
◦ Calderas
◦ Condensadores
◦ Radiadores
◦ Calentadores
◦ Hornos
◦ Refrigeradores y congeladores
◦ Colectores Solares, etc.
Procesos complejos:
 Métodos semiempíricos
Diseño
Análisis de la
transferencia de calor

4.  Otras Aplicaciones

5. 5
Mecanismos de
transmisión de calor
Conducción: Ocurre en sólidos
donde no existe movimiento de
componentes
Convección: ocurre cuando existe
movimiento de componentes en el
sistema sobre todo este fenómeno es
visible en líquidos y gases.
Convección natural:
Cuando las corrientes en un
fluido son consecuencia de
las fuerzas de flotación
generadas por diferencia de
densidades.
Convección forzada:
Cuando las corrientes se
deben a un dispositivo
mecánico, tal como una
bomba o un agitador.
Radiación: transferencia de energía a través del espacio por medio de
ondas electromagnéticas. Si la radiación pasa a través de un espacio
vacio, no se transformara en calor ni en otra forma de energía, ni se
desvía de su trayectoria. Sin embargo , si en su trayectoria encuentra
algún material, la radiación se transferirá, reflejara o absorberá.

6.  La conducción es el único mecanismo de transmisión del
calor posible en los medios sólidos opacos.
 Cuando en tales medios existe un gradiente de temperatura,
el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la
de menor temperatura debido al contacto directo entre
moléculas.
6

7. 7
Ley de Fourier:
determinación del flujo de calor
dx
dT
kA
Qx 


(Estado estacionario)
Calor difundido
por unidad de
tiempo
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
Superficie (m2): superficie a
través de la cual tiene lugar la
transmisión de calor
Gradiente de
temperatura
(grados/m):
variación de la
temperatura en la
dirección indicada
por x.
X
x
Q


8.  Conductividad térmica k: es una
medida de la capacidad de un
material para conducir calor.
 Capacidad Calorífica Cp,v: Energía
requerida para elevar la
temperatura de una unidad de
masa de una sustancia en un
grado.
◦ Medida de la capacidad de un material
para almacenar energía térmica.
Aparato experimental
sencillo para determinar la
conductividad térmica de
un material
Agua:
Hierro:
Agua:
Hierro:

9.  La velocidad de la conducción de calor
a través de una capa plana es
proporcional a la diferencia de la
temperaturas a través de esta y al área
de transferencia de calor, pero es
inversamente proporcional al espesor
de esa capa; es decir:
Donde la constante de proporcionalidad k es la
conductividad térmica del material, medida de la
capacidad de un material para conducir calor.
LEY DE FOURIER
Conducción de calor a
través de una pared plana
grande de espesor Dx y
área A

10. 10
Ley de Fourier: determinación del flujo de calor
(Estado estacionario)

11. Conductividades térmicas de algunos materiales
a temperatura ambiente
Material K (W·m-1
·K -1
)
Vapor de agua 0.025
Aire 0.026
Agua líquida 0.61
Mercurio 8.4
Espuma de poliestireno 0.036
Papel 0.13
Vidrio 0.35-1.3
Hielo 2.2
Plomo 34
Acero 45
Aluminio 204
Cobre 380
k
Buenos conductores
Malos conductores
La conductividad
térmica cambia con
el estado de agregación
... pero la capacidad de transporte de calor no depende sólo de la
conducción

12. Rango de conductividad térmica de diversos materiales a la
temperatura ambiente
Conductividades térmicas de
algunos materiales a la
temperatura ambiente

13. CONDUCCIÓN
LOS MECANISMOS DE CONDUCCIÓN DE CALOR EN LAS DIFERENTES FASES
DE UNA SUSTANCIA

14. Difusividad Térmica:
 La cual representa cuan rápido
se difunde el calor por un
material y se define como:
 La difusividad térmica de un
material se puede concebir como la
razón entre el calor conducido a
través del material y el calor
almacenado por unidad de volumen.
 Entre mayor sea la difusividad
térmica, mas rápida es la
propagación del calor hacia el
medio.
DIFUSIVIDADES TÉRMICAS
DE ALGUNOS MATERIALES A
LA TEMPERATURA AMBIENTE
Calor
conducido
Calor
almacenado

15. 15
Conductividad térmica
Área A
Espesor
Calor transferido en el tiempo t
EJEMPLO 1:
CONDUCCIÓN DEL CALOR (Placa plana)
t
Q
Q 

Integración de la ecuación de Fourier
dx
dT
kA
Qx 


d
T
T
kA
Q hot
cold
x
)
( 



d
T
T
kA
Q cold
hot
x
)
( 



16. Cálculo del flujo de calor a través del tabique de una habitación, de 34 cm de espesor,
siendo las temperaturas interior y exterior de 22 ºC y 5 ºC respectivamente. Tómese
como valor de la conductividad k = 0.25 W·m-1·K -1.
1
50
34
.
0
5
22 






 m
K
x
x
T
T
dx
dT
fuera
dentro
fuera
dentro
2
5
.
12
50
25
.
0 







 m
W
dx
dT
k
S
Q

Gradiente de temperaturas
Densidad de flujo
Tfuera
xdentro
xfuera
Gradiente de temperaturas constante 
 la temperatura varía linealmente
Gradiente de temperaturas constante 
 densidad de flujo constante
0.34 m
dx
dT
S
Qx

Tdentro
22 ºC
5 ºC

17.  El signo (-) es consecuencia del Segundo Principio de la
Termodinámica, según el cual, el calor debe fluir hacia la
zona de temperatura más baja. El gradiente de
temperaturas es negativo si la temperatura disminuye
para valores crecientes e x, por lo que si el calor
transferido en la dirección positiva debe ser una
magnitud positiva, en el segundo miembro de la ecuación
anterior hay que introducir un signo negativo. 1
7

18. PARED PLANA
L es el espesor de la pared,
T1 es la temperatura de la superficie
de la izquierda x = 0,
y T2 es la temperatura de la superficie
de la derecha x = L
Fuerza Impulsora

19. PAREDES
PLANAS EN
SERIE
2
1 T
T
R
Q A
k 


3
2 T
T
R
Q B
k 


4
3 T
T
R
Q C
k 


4
1 T
T
R
Q
R
Q
R
Q C
k
B
k
A
k 







20. PAREDES EN PARALELO
20

22. Resistencia térmica
22

24.  La convección es un fenómeno de
transporte (materia y energía) que
tiene su origen en diferencias de
densidad.
 Cuando un fluido se calienta, se
expande; en consecuencia su
densidad disminuye.
 Si una capa de material más fría y
más densa se encuentra encima del
material caliente, entonces el
material caliente asciende a través
del material frío hasta la superficie.
 El material ascendente disipará su
energía en el entorno, se enfriará y
su densidad aumentará, con lo cual
se hundirá reiniciando el proceso. 24

25.  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, por flujo
laminar o por flujo turbulento.
Convección natural Flujo laminar Flujo turbulento
Convección forzada
Enfriamiento de un huevo
cocido por convección forzada
y convección natural

26. Ley de enfriamiento de Newton
T
hA
T
T
hA
Q s
s
s
conv D



  )
(

Temperatura superficial Temperatura del fluido libre
Coeficiente de
convección
Superficie de
intercambio
T superficial
T fluido libre
Capa límite DT

27. Valores típicos del coeficiente de transferencia de calor
por convección.

28.  Es la energía emitida por la materia en la
forma de ondas electromagneticas (o
fotones), como resultado de los cambios en
las configuraciones 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.
 La radiación es un fenómeno volumétrico y
todos los sólidos, líquidos y gases emiten,
absorben o transmiten radiación en diversos
grados.

29. RADIACION
 La velocidad maxima de la radiacion que
se puede emitir desde una superficie a una
temperatura absoluta Ts se expresa por la
ley de Stefen-Boltzmann como:
Donde s es la constante de Stefen-Boltzmann

30.  Cuando una superficie de emisividad e y área
superficial As a una temperatura absoluta Ts esta
por completo encerrada por una superficie mucho
mas grande (o negra) a la temperatura absoluta
Talred, separadas por un gas (como el aire) que no
interviene en la radiación, la rapidez neta de la
transferencia de calor por radiación entre las dos
superficies se expresa por:
Transferencia de calor por
radiación entre una superficie
y las superficies que la
circundan

31. GRACIAS