Ansys Elementos

Capítulo 10
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10 ELEMENTOS TÉRMICOS: LINK, PLANE,
SHELL, SOLID
10.1 ELEMENTOS TÉRMICOS
ANSYS cuenta con gran variedad de elementos para realizar análisis térmicos, como se
puede observar en la Tabla 10.1. El tipo de elemento seleccionado dependerá del análisis a
realizar; los lineamientos para escoger un elemento determinado son los mismos que los
empleados en los casos estructurales.Tabla 10.1. Tipos de elementos para análisis térmicos
TIPO DE ELEMENTO
LINK

PLANE

SHELL
SOLID

ELEMENTO
LINK32
LINK33
LINK34
PLANE35
PLANE55
PLANE75
PLANE77
PLANE78
SHELL57
SOLID70
SOLID87
SOLID90

CARACTERÍSTICAS
Conducción lineal en 2D, 2 nodos
Conducción lineal en 3D, 2 nodos
Convección lineal en 3D, 2 nodos
Triángulo, 6 nodos
Cuadrilátero, 4 nodos
Armónico, 4nodos
Cuadrilátero, 8 nodos
Armónico, 8 nodos
Cuadrilátero, 4 nodos
Hexaedro, 8 nodos
Tetraedro, 10 nodos
Hexaedro, 20 nodos

En la aplicación que se desarrollará en este capítulo se usará el elemento PLANE55, que se
observa en la Figura 10.1. El grado de libertad del elemento es la temperatura en sus nodos.
Las cargas que se pueden aplicar sobre sus caras son convección, flujo de calor otasas de
generación de calor.

Figura 10.1. Elemento PLANE55.

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INTRODUCCIÓN AL MODELAMIENTO POR ELEMENTOS FINITOS CON ANSYS

10.2 MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
ANSYS permite realizar dos tipos de análisis térmico: en estado estable o análisis
transitorios. Los análisis transitorios pertenecen a la categoría de análisis no lineales
(dependientes del tiempo), por lo que noserán considerados aquí. La radiación es también
un problema no lineal, por lo cual solamente se tratarán problemas de conducción y
convección.
10.2.1 CONDUCCIÓN
Consiste en transferir calor de manera continua a través de la materia de una región de alta
temperatura a otra de baja temperatura dentro de un medio (sólido, líquido o gaseoso) o
entre medios diferentes en contacto directo.
Laley de Fourier relaciona la rapidez de flujo de energía con la diferencia de temperatura;
en una dimensión, se tiene
∆T
∂T
Q = − KA
= − KA
∆x
∂x
Siendo Q el flujo de calor (energía por unidad de tiempo), A el área normal a la dirección
de flujo de calor, ∂T/∂x el gradiente de temperatura en la dirección considerada (x) y K la
constante de proporcionalidad, denominada conductividad térmica.La conductividad
térmica es la capacidad de los cuerpos o sustancias para conducir calor; su valor depende de
la naturaleza del material.
10.2.2 CONVECCIÓN
Es un mecanismo de transferencia de energía que involucra conducción y transporte de
energía por medio de movimiento de la materia. Puede ser de tipo natural o forzada (por
medio de agitadores o bombas). La relación que rige laconvección es
Q = −hA∆T
En donde Q es el flujo de calor, A es el área normal al flujo de calor, ∆T es la diferencia de
temperatura y h es el coeficiente de película. Este coeficiente varía con las propiedades del
fluido (densidad, conductividad térmica, calor específico, viscosidad), con la velocidad, la
aspereza superficial, etc.

10.3 APLICACIÓN:
CHIMENEA

CONDUCCIÓN

DE

CALOR

EN

UNAPROBLEMA
Debe determinarse la distribución de temperatura, el flujo de calor y la distribución de
esfuerzos térmicos en una chimenea cuya sección transversal se muestra en la Figura 10.2.
La temperatura de los gases de salida es de 100°F, el coeficiente de convección interna es
de 12 BTU/hr-ft2-°F, la temperatura del aire externo es de 0°F y el coeficiente de
convección con el exterior esde 3 BTU/hr-ft2-°F. La conductividad térmica de los ladrillos
de la chimenea es de 1 BTU/hr-ft-°F, su módulo de elasticidad es de E = 4.2x108 lb/ft2, la

CAPÍTULO 10. ELEMENTOS TÉRMICOS: LINK, PLANE, SHELL, SOLID

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relación de Poisson es ν = 0.1 y el coeficiente de dilatación térmica es de α = 4x10-6/°F. La
pared exterior de la chimenea está completamente restringida.
Cuadrado, 2 ft...