Transparencias Tema1
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TEMA 1.- Principios básicos
CONTENIDOS DEL TEMA
1.1 Objetivos del tema1.2 Mecanismos de transmisión de calor1.3 Coeficientes individual y global 1.4 Diferencia media de temperatura1.5 Medida de la temperatura
TEMA 1.- Principios básicos
OBJETIVOS
1. Enumerar al menos diez situaciones en las que se produzca transferencia de calor
2. Explicar el significado de términos como: calor, conducción, convección, radiación, coeficiente individual de transmisión de calor, coeficiente global de transmisión de calor, flujo en contracorriente, flujo en paralelo, perfil de temperatura, resistencia térmica
3. Conocer el principio de funcionamiento y el intervalo de aplicación de cuatro instrumentos de medida de temperatura
1.1 ¿Qué es el CALOR ?
Primer Principio de la Termodinámica:∆U = q + w
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
Fuerza impulsora: diferencia de temperaturas
q |=| Energía/Tiempo=J/s = W
TTcaliente TTfríocaliente frío
Estudio de procesos de transmisión de calor:
Dos aspectos complementarios:
-Cantidad de energía aportadaBalance de energía (1er Principio Termodinámica)
-Tiempo necesario para transmitir ese calorFenómenos de transporte
q |=| Energía/Tiempo=J/s = W
Algunos 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
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
1.2 Mecanismos de transmisión de calor
CONDUCCIÓN: Transporte molecular
CONVECCIÓN: Transporte asociado a un flujo de materia
RADIACIÓN: Radiación electromagnética centrada en el infrarrojo
1.2 Mecanismos de transmisión de calor
1.2.1 ConducciónSin 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
qTTcalientecaliente TTfríofrío
xT·A·kq x ∂∂
−=
1.2.1 Conducción
El flujo de calor por conducción está descrito por la Ley de Fourier:
- Flujo de calor proporcional al gradiente de temperaturas- Constante de proporcionalidad: Conductividad
k |=| W/(m·K)
Conducción en fluidos con flujo laminar
En la dirección perpendicular al flujo el calor se transmite porconducciónEn la dirección del flujo la conducción es despreciable frente a la convección
xT·A·kq x ∂∂
−=
q qq q
Perfil velocidad Perfil temperatura
Con flujo turbulento: transporte convectivo también en la dirección perpendicular al flujo debido a los remolinos
Variables:
TemperaturaGeometría y masa del cuerpoPropiedades físicas → Conductividad térmica (k)
k Metales = 1000 k no metales y líquidos= 10000 k gases
1.2.2 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 temperaturas)
Convección forzada: flujo provocado por un elemento externo (bomba, compresor...)
1.2.3 Radiación
Transporte de energía radiante (radiación electromagnética)No requiere de medio material (Vacío)
R
A
I
TCALOR
I = R + A + T
El calor radiado por un cuerpo caliente es proporcional a T4
(Mecanismo importante a temperaturas altas)
1.2.4 Mecanismos simultáneos
Frecuentemente varios mecanismos de transmisión de calor ocurrensimultáneamente
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
Agua
Vapor
Gas
es c
ombu
stió
n ca
lient
es
1.3. Coeficiente individual y global de transmisión de calor
q = flujo de calor (calor transmitido por unidad de tiempo), W
A = área disponible para el flujo de calor, m2
∆T = diferencia de temperaturas, ºChi = coeficiente individual de transmisión de
calor, W/m2·ºC
hi = f(T, mecanismo de T.Q., props. del material, geometría, dinámica del fluido)
Flujo de calor en un medio
En general: q = hi·A·∆T
Ejemplo: Transmisión de calor a través de distintos materiales
∆T1 ∆T3
q
∆T2
T1 T3
h1 h2 h3
Tw1 Tw2
Medio 1 Medio 2Medio 3 Medio 1 → h1, A1, ∆T1
Medio 2 → h2, A2, ∆T2
Medio 3 → h3, A3, ∆T3
∆T1 = T1 –Tw1
∆T2 = Tw1 - Tw2
∆T3 = Tw2 - T3
Tw1,Tw2 generalmente desconocidas
Ejemplo: Transmisión de calor a través de distintos materiales
En régimen estacionario → q1 = q2 = q3 = q
q1 = h1·A1·∆T1 →
q2 = h2·A2·∆T2 →
q3 = h3·A3·∆T3 →
Si A1=A2=A3 →
111 h
1·AqT =∆
222 h
1·AqT =∆
333 h
1·AqT =∆
++=∆+∆+∆=∆
321321total h
1h1
h1·
AqTTTT
1.3. Coeficiente individual y global de transmisión de calor
++=
321
1111hhhU
==∆
U1·
AqTtotal →
∑ Ri (resistencias)Si A1 ≠ A2 ≠ A3 → U basado en una de las áreas
=∆
11total U
1·AqT
++=
33
1
22
1
11 h1·
AA
h1·
AA
h1
U1→
Ec. de diseño: q = U·A·∆T
U : coef. global de TQ., W/m2·ºC
U = f(T, mecanismos de T.Q., props. de los materiales, geometría, dinámica del fluidos)
Resistencia controlante
++=
321
1111hhhU
Si h1 << h2,h3 (transferencia de calor más lenta en etapa 1)
1/h1 >> 1/h2, 1/h3
1U h
-El coeficiente de transmisión de calor global está determinado por la etapa más lenta (etapa controlante)
-Es tanto más importante conocer con precisión el valor de un coeficiente de transmisión de calor cuanto menor (más controlante) sea ese coeficiente
1.4 Diferencia media de temperaturas
q = U·A·∆T
A veces no es fácil decir cuál es la dif. de T entre los fluido
Ej.: Fluido caliente circulando por interior de tubFluido frío circulando por exterior de tubo
80 ºC 40ºC
10 ºC 25 ºC
70 ºC 15 ºC
q = U·A·∆Tm
1.4 Diferencia media de temperaturas
Flujo en corrientes paralelas
Tij
Fluido Entrada/salida
T11 T12
T21
T22
G1
G2
∆T1 = T11-T21
∆T2 = T12-T22
T11
T21
T12
T22
∆T2∆T1
2
121
Lnm
TTLn
TTTT
∆∆∆−∆
=∆=∆
1.4 Diferencia media de temperaturas
Flujo en contracorriente
T11 T12
T22 T21
G1
G2
∆T1 = T11-T22
∆T2 = T12-T21
T11
T21
T12T22
∆T1
∆T2
2
121
Lnm
TTLn
TTTT
∆∆∆−∆
=∆=∆
1.4 Diferencia media de temperaturas
Flujo cruzado
T11 T12
T22
T21
G1
G2
Factor de corrección → ∆ Lnm T·FT ∆=
1.5 Medida de temperatura
1. Métodos basados en la dilatación térmica
2. Métodos eléctricos
3. Métodos basados en radiación térmica
1.5.1 Métodos basados en la dilatación térmica
Fundamento: dilatación del material con T- Termómetros de líquido en tubo de vidrio→ Dilatación de un líquido por efecto de T
Sustancia Intervalo de medida ºCMercurio -35 – +280 ºCPentano -200 – +30 ºCEtanol -80 – +60 ºCTolueno -90 – +50 ºC
Termómetros de bulbo y espiralBulbo en contacto con la variable a medir + Bourdon unidos por un capilarBourdon: tubo hueco construido en un material elástico que responde mediante un cambio de posición en su extremo cerrado
Líquido → Bourdon que responde a cambios de V 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 bimetálicas
2 Láminas de distintos metales o aleaciones unidas mediante soldadura → Distinta dilatación → Encorvamiento
linealmente proporcional a T
Usos: sobre todo uso doméstico (termostatos hornos, lámparas vehículos...)
1.5.2 Métodos eléctricos
1. Termoresistencias y Termistores: Fundamento: variación resistencia eléctrica con TTermoresistenciasVariación lineal de la resistencia con T en un cierto intervalo de T: R = R0·(1+α·T)
Tipo Intervalo de medida ºCElemento metálico:CobreNíquelPlatino
TermistoresElemento semiconductor:Óxidos metálicosSilicio
-100 - +100-80 - +250-220 - +600
-100 - +160-160 - +160
(El más utilizado)
-Mayor sensibilidad-Variación exponencial de la resistencia con T
2.Termopares o pares termoeléctricos
Fundamento: efecto termoeléctrico → circulación de una corriente en un circuito cerrado formado por 2 metales diferente cuyas uniones se mantienen a diferente temperatura
Medida de F.E.M generada →F.E.M. ∝ diferencia de T entre uniones
Unión caliente (punto de medida)
Unión fría (de referencia)
Sistema de referencia (agua con hielo...)
Temperatura medida con termorresistencia
2 uniones
DesignaciónTipo de termopar Intervalo de medida ºCR Pt-13% Rodio/Pt -45 - +1750
S Pt-10% Rodio/Pt 50 - +1760
B Pt-30% Rodio/Pt-6% Rodio 0 - +1820
J Hierro / Cobre-Níquel (Constantán) -210 - +1200
T Cobre / Cobre-Níquel (Constantán) -210 - +900
E Níquel-Cromo/Cobre-Níquel -210 - +1000
K Níquel-Cromo/Níquel-Al 210 - +1372
1.5.3 Métodos basados en la radiación térmica(Pirómetros)
Fundamento: medida de T de los cuerpos a partir de la cantidad ynaturaleza de la E que radian.
Ventaja: Sin contacto físico
-Ópticos → se compara el brillo de un cuerpo incandescente con en el de una fuente de brillo determinada cuya T se conoce (sólo radiación en el visible)
-De radiación → miden el flujo de E emitida en un amplio intervalo de longitud de onda, concentrándola sobre un detector, que la traduce en voltaje. También puede medirse la T comparando las radiaciones monocromáticas correspondientes a 2 longitudes de onda.
1.5.4 Usos de cada tipo de medidor
Bimetálicos: Uso doméstico
Bourdon: Instrumentos antiguos
Dilatación térmica: Laboratorio. Instrumentos de referencia para calibrados
Termoresistencia: hasta 500-600ºC,precisión 0.1ºC
Termopar: hasta 1800-2000ºC, precisión 1-5ºC
TEMA 1.- Principios básicos
OBJETIVOS
1. Enumerar al menos diez situaciones en las que se produzca transferencia de calor
2. Explicar el significado de términos como: calor, conducción, convección, radiación, coeficiente individual de transmisión de calor, coeficiente global de transmisión de calor, flujo en contracorriente, flujo en paralelo, perfil de temperatura, resistencia térmica
3. Conocer el principio de funcionamiento y el intervalo de aplicación de cuatro instrumentos de medida de temperatura