tranferencia de calor

Transferencia de Calor


Introducción y mecanismos de
transferencia de calor
• Transferencia de calor estado estacionario
– Está presente en muchos procesos industriales.
– Ocurre en combinación con otros procesos de separación
(secado, destilación, evaporación, combustión, etc.)
– Transferencia de calor se debe a una fuerza motriz
diferencial de temperaturas.
– Ecuación general paracualquier propiedad (momentum,
energía o masa):
𝑡𝑎𝑠𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − 𝑡𝑎𝑠𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 + 𝑡𝑎𝑠𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎
− 𝑡𝑎𝑠𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑒 = (𝑡𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛)
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Introducción
Asumiendo que la tasa de transferencia de calor solamente
ocurre por conducción, se tiene la siguiente ecuación
fundamental:
𝑨

𝑞𝑥
𝑑𝑇
= −𝑘
𝐴
𝑑𝑥

𝒒 𝒙|𝒙

𝒒 𝒙|𝒙+ ∆𝒙

Realizando un balance de calor en la
dirección
“x”solamente
contemplando conducción, queda:

𝒒 𝒙|𝒙 − 𝒒 𝒙|𝒙+∆𝒙 + 𝒒 ∆𝒙 ∙ 𝑨 = 𝝆𝑪 𝑷

𝒅𝑻
𝒅𝒕

∆𝒙 ∙ 𝑨

E.E
N.G

𝒒 𝒙|𝒙 = 𝒒 𝒙|𝒙+∆𝒙
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Mecanismos básicos de transferencia
de calor
El fenómeno físico de transferencia de calor
puede ocurrir por uno o mas de los 3
mecanismos básicos, tales como:
Conducción
Convección
Radiación

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Conducción
• Calor puede ser conducido a través desólidos, líquidos y
gases.
• Calor es conducido por la transferencia de la energía del
movimiento entre moléculas adyacentes.
• Ejemplos:
transferencia
a
través
de
paredes,
intercambiadores.

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Convección
• Implica la transferencia de calor por transporte o movimiento
de una masa y mezcla de elementos macroscópicos de alta
energía térmica con otros fluidos fríos.
• A menudotambién es referida al intercambio energético
entre una pared y un fluido.
• Existe convección forzada y convección natural.
• Ejemplos: movimiento de agua caliente, circulación de aire
caliente en un ambiente.

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Radiación
• No necesita un medio físico para su propagación.
• Transferencia de energía a través del espacio por ondas
electromagnéticas.
• Tanto sólidos como líquidostienden a absorber la radiación
siendo transferida a través de ellos.
• Ejemplo: transporte de calor a la tierra desde el sol, cocción
de alimentos en hornos eléctricos.

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Ley de Fourier: Conducción de calor
𝑞𝑥
𝑑𝑇
= −𝑘
𝐴
𝑑𝑥
• Integrando la ecuación mencionada entre los
límites (x1,T1) y (x2,T2), se obtiene:
𝑞
𝑘
=
∙ 𝑇1 − 𝑇2
𝐴
𝑥2 − 𝑥1
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Ejemplo
Calcular la pérdida de calor porm2 de área
superficial para una pared aislada compuesta de
25.4 mm de espesor de una pared de fibra
aislante, dónde la temperatura por un lado es
352.7 K y por el otro es 297.1 K.

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Conductividad térmica

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Coeficiente convectivo de
transferencia de calor
• Es bien conocido que una pieza de material caliente se enfría
mucho más rápido cuando circula un fluido alrededor deéste
a una menor temperatura.

𝑞 = ℎ𝐴 𝑇 𝑤 − 𝑇 𝑓
• EL coeficiente convectivo de transferencia de calor “h” es
función de:
•
•
•
•

Geometría del sistema
Propiedades del fluido
Velocidad de flujo
Diferencia de temperaturas
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Coeficientes de transferencia de calor
aproximados.

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Conducción: Placa Plana

𝑇1 −𝑇2
𝑇1 −𝑇2
𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑚𝑜𝑡𝑟𝑖𝑧
𝑞=
=
=
∆𝑥
𝑅
𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
𝐴∙ 𝑘
13Conducción: Cilindro hueco

En muchas instancias en los procesos industriales, una fuente térmica es transferido a
través de tuberías que deben o no ser aisladas.
El gradiente de temperatura ocurre radialmente, lo cual se explica por la siguiente
ecuación:

𝑞
𝑑𝑇
= −𝑘
𝐴
𝑑𝑟

𝑞= 𝑘

𝑙𝑛

2𝜋𝐿
𝑟2

𝑟1

𝑇1 −𝑇2
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Ejemplo
• Un tubo cilíndrico posee un radio interno de 5
mm yun radio externo de 20 mm el cual está
siendo utilizado como un intercambiador de
calor en un baño. Agua helada está fluyendo a
través de su lumen presentando una
temperatura en la pared interna de 274.9 K. La
temperatura de la superficie externa es de
297.1 K. Un total de 14.65 W debe ser
removido desde el baño. ¿Cuántos metros de
tubería se necesita?
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Conducción: Esfera hueca...