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Transferencia de calor

Andrés Arrieta

– Ing. Mecánico; Universidad Pontificia Bolivariana

– Estudiante de la maestría en ingeniería, Área Energética- Universidad de Antioquia.

– Trabajo de grado: Simulación Numérica de los fenómenos fluido-dinámicos, térmicos y cinético-químicos presentes en un horno de pirólisis.

Autor de la presentación: Prof. Francisco CadavidModificaciones: Andrés E Arrieta

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bibliografía1. F.P. INCROPERA y D.P. DEWITT. Fundamentos de transferencia de calor. Mexico : Prentice Hall, 1999

2. B. KARLEKAR y R. M. DESMOND. Transferencia de calor. 2 ed. Medellín : Nueva Editorial Interamericana, 1985.

3. F.V. KREITH y M.S. BOHN. Principios de transferencia de calor. 6 ed. Thomson Learning, 2001.

4. DONALD Q. KERN. Procesos de transferencia de calor, McGraw-Hill Interamericana, 1950.

5. J.P. HOLMAN Transferencia de calor. 08 ed. Espana : McGraw Hill, 1998.

6. Y.A. CENGEL. Heat Transfer: A practical aproach

7. N. OZISIK. Transferencia de calor. 01 ed. Bogota : McGraw-Hill Interamericana, 1979.

8. D.R. PITTS y L.E. SISSOM, Teoria y problemas de transferencia de calor. - 01.ED. Serie de Compendios Schaum. Bogotá : McGraw-Hill Interamericana, 1980

9. Journal of Heat Transfer, Transaction of the ASME http://scitation.aip.org/ASMEJournals/HeatTransfer

10. www.sciencedirect.com International Journal of Heat and Mass Transfer. Disponible en Biblioteca International Communications in Heat and Mass Transfer Fuel : Science and Technology of Fuel and Energy. Disponible en Biblioteca

11. http://pubs.acs.org/wls/journals/query/subscriberSearch.html Industrial & Engineering Chemistry Research “Ind.Eng.Chem.Res”. Disponible en Biblioteca Energy&Fuel Industrial and Engineering Chemistry, Product Research and Development (Washington)

“Ind.Eng.Chem.Prod.Res.Dev”. Disponible en Biblioteca

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• Cuatro exámenes ->25 %

Evaluación

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Objetivos del curso

• Comprender la física de los mecanismos de transferencia de calor

• Proponer herramientas para el manejo cuantitativo de los mecanismos de transferencia de calor

• Mostrar los campos de aplicación de la transferencia de calor

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• Definiciones, conceptos fundamentales

• Conducción de calor en estado estacionario (uni, bi y tridireccional)

• Conducción en estado transitorio

• Métodos numéricos para solución de problemas en conducción de calor

• Nociones de flujo de fluidos• Convección forzada

• Convección natural

• Intercambiadores de calor

• Radiación

Programa general

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Programa detallado

Ver pagina de la facultad de ingeniería

http://ingenieria.udea.edu.co/CURSOS/IMC-484.html

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Definiciones y conceptos fundamentales

• ¿Que es la transferencia de calor?

• ¿Cómo se transfiere el calor?

• ¿Por qué es importante su estudio?

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¿Qué y cómo?

• ¿Qué? La transferencia de calor es energía en transito debido a una diferencia de temperatura ->Siempre que exista diferencia de temperatura debe ocurrir una transferencia de calor

• ¿Cómo? Existen tres modos de transferencia de calor: – Conducción– Convección– Radiación térmica

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Conducción

• Gradiente de temperatura en un medio estacionario (sólido o fluido)

• El termino conducción se utiliza para referirse a la transferencia de calor a través del medio.

• La conducción es un proceso de actividad atómica y molecular que consiste en la transferencia de energía de las moléculas más energéticas a las menos energéticas.

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Conducción - ejemplos

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¿Cómo cuantificar el proceso de conducción del calor?

• Ley de Fourier– En el caso de una

pared plana unidimensional

dx

dTkqx "

= Flux de calor y se define como el flujo de calor por unidad de área (W/m2)k = Conductividad térmica (W/m K) constante de proporcionalidad que depende de material.

"xq

A

qx

x

TT

dx

dT

21

x

Tkqx

"

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Convección

• Transferencia de calor entre una superficie sólida y un fluido en movimiento cuando están a diferente temperatura.

• Dos mecanismos: – Energía transferida por el movimiento molecular aleatorio

(Difusión)– Energía transferida por el movimiento global o macroscópico del

fluido en presencia de gradiente de temperatura.

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Procesos de transferencia de calor por convección

Convección forzada Convección natural

Condensation Ebullición

No

hay

cam

bio

de f

ase

Si h

ay c

ambi

o de

fas

e

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• Ley de enfriamiento Newton

• h: Coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m2 K)h depende de:

Condiciones en la capa límite; geometría de la superficie, rugosidad de la superficie, naturaza del movimiento del fluido (laminar o turbulento), propiedades termodinámicas y de transporte (densidad, viscosidad, conductividad, calor específico). El estudio de la convección se reduce al calculo de h

¿Cómo cuantificar el proceso de convección del calor?

TTcon )(" sTThq s

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Valores típicos de h

Proceso h

(W/ m2 K) Convección libre

Gases 2 - 25 Líquidos 50 - 1000

Convección forzada Gases 25 - 250 Líquidos 50 – 20 000

Convección con cambio de phase Ebullición o condensación 2 500 – 100 000

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Radiación térmica

• Energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura finita

• Transporte de energía por medio de ondas electromagnéticas

• La transmisión de la energía por radiación no requiere la presencia de un medio material. De hecho la transferencia de la radiación en el vacío es más eficaz

• La radiación también puede incidir sobre una superficie desde los alrededores, el sol por ejemplo Irradiación

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Espectro de la radiación electromagnética

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¿Cómo cuantificar la energía emitida por un cuerpo ?

• Ecuación de Stefan-Boltzman

– E: Potencia emisiva superficial. Velocidad a la que se libera la energía por unidad de área (W/m2). Eb es la energía máxima emitida por la superficie radiante.

– Ts: Temperatura absoluta de la superficie (K)

– : Constante de Stefan-Boltzman

• Flujo de calor emitido por una superficie real

4sTbE

428 K W/m1067,5

4sTE

:Propiedad de la superficie llamada Emisividad 10

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• Irradiación (G): Velocidad a la que la radiación incide sobre un área unitaria de la superficie.

• Si una parte o toda de la irradiación es absorbida por la superficie

La energía térmica del material aumenta

• Si el cuerpo es opaco parte de la irradiación se refleja. Si la superficie es semitransparente, parte de la irradiación se transmite (pasa a través del material)

¿Cómo cuantificar la energía que incide sobre una superficie desde sus

alrededores?

GGabs adAbsortivid:10

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Ejemplo Si se tiene un cuerpo pequeño a Ts y una

superficie isotérmica más grande que rodea por completo al cuerpo pequeño. Por ejemplo las paredes de un horno a Talr (Talr Ts). La irradiacion en este caso se aproxima a la emision de un cuerpo negro a Talr

Si además se supone que (superficie gris), la velocidad neta de transferencia de calor por radiación desde la superficie, expresada por unidad de área de la superficie es:

4Talr G

alrsr

alrssb

TTh

TTGTEA

qq

" 44)(

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• Herramienta importante en los análisis de transferencia de calor, puesto que provee las bases para determinar la temperatura del sistema.

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA (PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA)

• En un sistema abierto y para un Instante de Tiempo dado:

Fenómenos superficiales

: Tasa de transferencia de energía mecánica o térmica a través de una superficie de control (fronteras) debido a la transferencia de calor, al flujo de fluidos

outin EE y

Fenómenos volumétricos

: Tasa de generación de energía térmica debida a la conversión a partir de otra fuente de energía (eléctrica, nuclear o química); es un proceso de conversión que se da al interior del sistema.

gE

: Tasa de cambio de la energía almacenada en el sistemastE

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Conservación de la Energía en estado transitorio

Cada término tiene unidades de J/s o W.

Para un intervalo de tiempo dado

Cada término tiene unidades de J.

stst

goutin Edt

dEEEE

stgoutin EEEE