INTRODUCCION A LA TRANSMISION DE CALOR..

Tema 1. GENERALIDADES: INTRODUCCIÓN A LA
TRANSMISIÓN DE CALOR
Ingeniería Térmica (801546)

TEMA 1 Introducción a la Transmisión de Calor
V) T. C RADIACIÓN
Naturaleza Radiación Térmica
Propiedades Radiantes
Ley Kirchoff
Factores Visión
Hornos
I) INTRODUCCIÓN
Mecanismos T.C.
Leyes Fundamentales
Agentes Calefacción y Enfriamiento
II) T.C. CONDUCCIÓN
Régimen Estacionario
Régimen no Estacionario
IV) CAMBIADORES DE CALOR
Y EVAPORADORES
Tipos y Características
Diseño
III) T.C. CONVECCIÓN
Flujo Interno
Flujo Externo
Flujo con Cambio de Fase
Estructura temática

1. Enumerar situaciones en las que se produzca transmisión de calor.
2. Explicar el significado de términos como: calor, conducción,
convección, radiación, coeficiente individual y global de transmisión
de calor, flujo en contracorriente y en paralelo, perfil de temperatura,
resistencia térmica.
3. Conocer el principio de funcionamiento y el intervalo de aplicación
de instrumentos de medida de temperatura y los agentes de
calefacción y enfriamiento habituales. Aislantes.
OBJETIVOS
Generalidades: Introducción a la Transmisión de Calor
TEMA 1.-

1.1 Introducción.
1.2 Mecanismos de transmisión de calor.
1.3 Leyes fundamentales.
1.4 Medida de la temperatura.
1.5 Agentes habituales de calefacción y enfriamiento.
1.6 Aislantes térmicos.
CONTENIDOS DEL TEMA
Generalidades: Introducción a la Transmisión de Calor
TEMA 1.-

1.1 Introducción
La Energía Térmica

¿Qué es CALOR?
Primer principio de la Termodinámica:
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.
U q w
∆ = +
Fuerza impulsora: Diferencia de temperaturas
T caliente T frio
Refleja la conservación de la energía en el contexto de la termodinámica y
establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor
con otro, la energía interna del sistema cambiará.
1.1 Introducción

1.1 Introducción

Equilibrio Térmico
1.1 Introducción

1.1 Introducción
CALOR ESPECÍFICO
Calor específico: Aumenta la energía interna
por unidad de masa que se produce en un
sistema al aumentar su temperatura.
- Si el proceso se realiza a presión constante Cp
- Si el proceso se realiza a volumen constante Cv
Sustancia
Calor
específico
Cp (J/KgK)
Gases:
Hidrógeno
CO2
Aire
14000
850
1000
Líquidos:
Aceite
Etilen Glicol
Freón (R-12)
1800
2300
900
Sólidos:
Cuarzo
Hielo
Lana de vidrio
Madera seca
(pino)
Mármol
Vidrio
Yeso
780
1100
2000
770
2740
900
950
J
C
kgK
 
 
 

Estudios de procesos de Transmisión de Calor
- Cantidad de energía aportada:
Balance de energía (1er Principio Termodinámica)
Dos aspectos complementarios:
- Tiempo necesario para transmitir ese calor:
Fenómenos de transporte
q |=| Energía/Tiempo= J/s = W
1.1 Introducción

Procesos Industriales con Transmisión de Calor
1. Aporte o eliminación de calor con la velocidad deseada:
En columnas de destilación (calderín o ebullidor, condensador).
En reactores químicos.
En evaporación, esterilización.
2. Recuperación de calor entre corrientes.
3. Producción de calor: en hornos, calderas a partir de combustibles
(líquidos, sólidos o gaseosos).
Procesos complejos Métodos semiempíricos
1.1 Introducción

Problema fundamental de la Transmisión de Calor
- Determinación de los perfiles de velocidad y temperatura en función de
la posición y del tiempo.
- Determinación de los flujos y caudales de calor transmitido.
- Determinación de las dimensiones de los equipos de intercambio de
calor, para cada necesidad especificada.
1.1 Introducción

Factores de conversión:
1.1 Introducción

Cronología de la transmisión de calor
1.1 Introducción

1.2 Mecanismos de transmisión de calor
 CONDUCCIÓN: Transporte molecular
(A TRAVÉS DE SÓLIDOS)
 CONVECCIÓN: Transporte asociado a un flujo de materia
(ENTRE DISTINTAS PARTES DE UN FLUIDO)
- convección natural
- convección forzada
 RADIACIÓN: Radiación electromagnética centrada en el infrarrojo

Conducción:
Sin desplazamiento global de la materia en la dirección de transmisión
En sólidos y en fluidos en reposo o con régimen laminar
- Transporte molecular
- Necesita un medio material continuo
- Formas de transmisión: Vibración de moléculas
Transporte de electrones

Conducción:
Sin desplazamiento global de la materia en la dirección de transmisión.
T caliente T frío
q
El calor se propaga a través de las partículas del cuerpo, ya que
aumentan su movimiento y lo transmiten a las partículas vecinas. Esta
forma de propagación se da en los sólidos.

Convección:
Transmisión de calor debido al movimiento de un fluido.
Convección natural: El movimiento del fluido está originado por la
diferencia de densidades (diferencia de temperatura).
Convección forzada: flujo provocado por un elemento externo (bomba,
compresor, …).
Forma de propagación de los líquidos y gases.

Radiación:
Transporte de energía radiante (radiación electromagnética). No requiere
de medio material (Vacío).
I = R + A + T
CALOR
El calor radiado por un cuerpo caliente es proporcional a T4 (Mecanismo
importante a temperaturas altas).

Mecanismos simultáneos
Frecuentemente varios mecanismos de transmisión de calor ocurren
simultáneamente.
Ejemplo: Caldera
Calentamiento de los tubos por los gases de
combustión calientes: RADIACIÓN
Transmisión de calor a través de las paredes de
los tubos: CONDUCCIÓN
Calentamiento del fluido que circula por los
tubos: CONVECCIÓN

1.3 Leyes fundamentales
CONDUCCIÓN
El flujo de calor por conducción está descrito por la Ley de Fourier
(1822):
1 2
2 1
T T
Q kA
x x
−
=
−
 Flujo de calor proporcional al gradiente de temperaturas.
 Constante de proporcionalidad: Conductividad.
k |=| W/(m.K)

CONVECCIÓN
Ley de Enfriamiento de Newton (1701)
1 2
( )
Q h A T T
= −

RADIACIÓN
Ley de Stephan-Bolztman (1879-1884)
Cuando se tienen dos superficies, cada una emite energía radiante
(según su nivel de temperatura) hacia los alrededores, y parte de ella es
interceptada por la otra. La relación entre la energía interceptada por una
superficie y la total emitida por la otra, es lo que se conoce como factor
de visión o factor de forma.
8 4 4
1 2 1 12 1 2
5,67 10 ( )
Q x A F T T
−
→ −
2 4
/
W m K
σ =

1.4 Medida de la temperatura
TEMPERATURA: DEFINICIÓN
Magnitud intensiva que mide la cantidad de energía interna que posee un
cuerpo.

TEMPERATURA: EQUIVALENCIAS
• Pasar de escala Celsius a Kelvin:
K = ºC + 273
• Pasar de escala Celsius a Fahrenheit:
ºF =°C × 1,8 + 32
• Pasar de escala Kelvin a Celsius:
ºC = K – 273
• Pasar de escala Fahrenheit a Celsius:
ºC =(°F - 32) : 1,8
1K<>1,8 ºF
1K<>1 ºC 1K<>1,8 ºR

 Métodos basados en la dilatación térmica.
 Métodos eléctricos.
 Métodos basados en radiación térmica.

 Métodos basados en la dilatación térmica
Fundamento: Dilatación del material con la Temperatura
 Termómetros de líquido en tubo de vidrio
Dilatación de un líquido por efecto de la Temperatura
Sustancia Intervalo de medida ºC
Mercurio
Pentano
Etanol
Tolueno
-35 - +280ºC
-200 - +30ºC
-80 - +60ºC
-90 - +50ºC

 Termómetros de bulbo y espiral
Bulbo en contacto con la variable a medir + Bourdon unidos por un
capilar.
Bourdon: tubo hueco construido en un material elástico que responde
mediante un cambio de posición en su extremo cerrado.

 Termómetros de bulbo y espiral
Líquido  Bourdon que responde a cambios de
Volumen por dilatación del líquido.
(mercurio, xileno, alcohol y éter)
Gas o líq. volátil  Bourdon que responde a
cambios de P del gas.
(cloruro de metilo, éter dietílico, agua, tolueno,
dióxido de azufre,…).

 Tiras metálicas
2 Láminas de distintos metales o aleaciones unidas mediante soldadura
 Distinta dilatación  Encorvamiento linealmente proporcional a la
Temperatura
Usos: sobre todo uso doméstico
(termostatos hornos, lámparas
vehículos,…)

 Métodos eléctricos
Fundamento: variación resistencia eléctrica con la Temperatura.
 Termorresistencias
1. Termorresistencias y Termistores
Variación lineal de la resistencia con la Temperatura en un cierto
intervalo de Temperatura:
0 (1 )
R R T
α
= +

Tipo elemento metálico Intervalo de medida ºC
Cobre
Níquel
Platino
-100 - +100 ºC
-80 - +250 ºC
-220 - +600 ºC (El más
utilizado)
Termistores
Elemento semiconductor
Óxidos metálicos
Silicio
-100 - +160 ºC
-160 - +160 ºC
- Mayor
sensibilidad
- Variación
exponencial de la R
con T
Termorresistencias

Fundamento: Efecto termoeléctrico  Circulación de una corriente en un
círcuito cerrado formado por 2 metales diferentes cuyas uniones se
mantienen a diferente temperatura
2. Termopares o pares termoeléctricos
Medida de F.E.M. generada  F.E.M. α diferencia de Temperatura entre uniones

2 uniones
Unión caliente (punto de medida)
Unión fría (de referencia)
Sistema de referencia
(agua con hielo,…)
Temperatura medida
con termorresistencia

Tipo termopar Intervalo de medida ºC
R Pt-13% Rodio/Pt
S Pt-10% Rodio/Pt
B Pt-30% Rodio/Pt-6% Rodio
J Fe/Cu-Ni (Constantán)
T Cu/Cu-Ni (Constantán)
E Ni-Cr/Cu-Ni
K Ni-Cr/Ni-Al
-45 - +1750 ºC
50 - +1760 ºC
0 - +1820 ºC
-210 - +1200 ºC
-210 - +900 ºC
-210 - +1000 ºC
210 - +1372 ºC

- American National Standards
Institute (Instituto Nacional
Estadounidense de Estándares),
cuyo acrónimo es ANSI.
Normas
- Comisión Electrotécnica
Internacional (CEI), también
conocida por su sigla en
inglés IEC.

 Métodos basados en la radiación térmica (Pirómetros)
Fundamento: Medida de la Temperatura de los cuerpos a partir de la
cantidad y naturaleza de la Energía que radian.
Ventaja: Sin contacto físico.
- Ópticos  se compara el brillo de un cuerpo incandescente con el de
una fuente de brillo determinada cuya Temperatura es conocida (sólo
radiación en el visible).
- De radiación  miden el flujo de Energía emitida en un amplio intervalo
de λ, concentrándola sobre un detector, que la traduce en voltaje.
También puede medirse la Temperatura comparando las radiaciones
monocromáticas correspondientes a 2 λ.

Usos de cada tipo de medidor (Resumen)
 Bimetálicos: Uso doméstico.
 Bourdon: Instrumentos antiguos.
 Dilatación térmica: Laboratorio. Instrumentos de referencia para
calibrados.
 Termorresistencia: hasta 500-600ºC, precisión 0,1ºC.
 Termopar: hasta 1800-2000ºC, precisión 1-5ºC.

1.5 Agentes habituales de calefacción y enfriamiento
 Agentes de calefacción
FLUIDOS CON ELEVADA CAPACIDAD CALORÍFICA
 VAPOR DE AGUA (2 bar) T: 200ºC
 AGUA CALIENTE T:100ºC (1 atm)
 DOWTHERM A (Oxido de difenilo) T: 200-400ºC
 DOWTHERM E (o-Diclorobenceno) T: 177-260ºC
 SALES INORGÁNICAS FUNDIDAS T: 400-500ºC
 ACEITES MINERALES (Parafinas) T: 300ºC
 OTROS: Mercurio, Compuestos de silicio, etc

 Agentes refrigerantes
 AGUA FRIA
 SALMUERA
 CO2 SÓLIDO
 MEZCLAS FRIGORÍFICAS (isopropanol-hielo), nieve carbónica-
acetona, nitrógeno líquido.
 CLOROFLUOROCARBONOS (R-xyz)
Ej: R-11, R-12 ó R-502 son considerados la 1ª generación de gases
refrigerantes fluorados.

Intervalos de utilización de fluidos transmisores de calor, y presiones
requeridas para su empleo.

Productos que oferta una empresa e intervalos de temperatura de
aplicación
Diseñados para la refrigeración y calefacción en el intervalo de temperatura de
-90°C a 360°C.

1.6 Aislantes térmicos
• Aislantes: son aquellos materiales que no conducen bien el calor. Por
ejemplo el aire (ventanas de doble acristalamiento), la madera, la lana
o el plástico.
Aislante térmico específico: k < 0,08 W/mºC

Por qué se emplean los aislantes:
1. Minimizar las pérdidas de calor o minimizar ganancias de calor (en
caso de que el contenido esté por debajo de la Tamb).
2. Alcanzar Temperaturas.
3. Poder transportar fluidos calientes a grandes distancias Ej: vapor
generado en una caldera.
4. Suprimir condensaciones.
5. Reducir el desgaste de equipos cuando está afectado a dilataciones
debidas a diferencias de Temperaturas.
6. Mejorar las condiciones de trabajo (seguridad, evitar que el operario
se queme).

Características de un buen aislante:
1. Baja conductividad calorífica y a poder ser cte. (Ej: materiales con
burbujas de aire).
2. Ligero no recargar el peso de las instalaciones.
3. Incombustible y que no sea putrefactivo.
4. Que no sea atacado por roedores o insectos y que no crie bichos.
5. Inerte.
6. Fácil de colocar.

Materiales aislantes:
- Lana de vidrio (hasta 400-450ºC).
- Lana de roca ( algo más de 450ºC).
- Cabul: T = 600ºC.
- Poliuretano: temperaturas limitadas (Poliuretano proyectado en las
paredes de las casas).
- Materiales con burbujas de aire.

Formas de aislamiento
Borra de lana de roca Paneles rígidos
Manta (con soporte
de papel)
Manta (con soporte
de tela metálica)

Formas de aislamiento
Coquillas Seda de vidrio
Burlete: va tejido. Se emplea para válvulas
y sistemas móviles

Tras el aislante se suele colocar planchas de aluminio:

1. Incropera, F.P. y DeWitt, D.P. Fundamentos de Transferencia de calor. Ed.
Prentice Hall, (1999). 4ª edición.
2. Kreith, F., Bohn, M.S. Principios de transferencia de calor. Ed. Thomson
Paraninfo, S.A., (2002). 6ª Edición.
3. Costa, E y Col. Ingeniería Química 4. Transmisión de calor. Ed. Alhambra,
(1986).
4. Manual del aislamiento en la industria. Ed. Roclaine. Dirección Técnico
Comercial y Comunicación, (1989). 3ª Edición.
Bibliografía

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