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26-08-2013

TRANSFERENCIA DE CALOR

Dr. Rafael Padilla
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Universidad de Concepcion
rpadilla@udec.cl

METALURGIA DEL HIERRO: Esquema de un Alto Horno típico
para reducir minerales de hierro y producir Fe (metal fundido)

Transferencia de calor es energía en transito debido
a una diferencia de temperatura.

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TRANSFERECIA DECALOR
Definición
- Transferencia de calor es energía en transito debido
a una diferencia de temperatura.
- Si existe una diferencia de temperatura en un medio
cualquiera o entre medios distintos, va a ocurrir
transferencia de calor.
El único dominio concebible libre de transferencia de
calor (flujo de calor) tiene que ser isotérmico y totalmente
aislado de cualquier otra región.

Metalurgiadel cobre: HORNO FLASH OUTOKUMPU

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TRES MODOS DE TRANSFERECIA DE CALOR
CONDUCCION
Cuando hay un gradiente de temperatura en un medio estacionario
cualquiera, la transferencia de calor es por conducción.

CONVECCION
Cuando la transferencia de calor ocurre entre una superficie y un
fluido en movimiento de temperaturas diferentes, la transferencia de
calor se dice es porconvección.

RADIACION
Todas las superficies a una temperatura finita emiten energía en la
forma de ondas electromagnéticas. En ausencia de un medio de
transporte entre dos superficies a temperaturas diferentes, hay una
transferencia de calor por radiación .

MODOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR (ANALOGIA)

Analogía
El agua (W): calor,
La gente: medio
de transporte

1. La mangueradirige el agua desde W a B independientemente del medio.
Análogo a radiación térmica en vacío o en gases.
2. El agua va desde W a B a través del medio. Análogo a conducción.
3. Un solo corredor, el medio, lleva agua de W a B. Análogo a convección.

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Transferencia de calor por CONDUCCION
Ley de Fourier y perfil de temperatura
Consideremos: Un sólido entre
dos placas planas deárea A

-Sólido inicialmente a T = To
-Cuando t = 0 la placa inferior cambia a T =T1.
-Con el tiempo el perfil de T del sólido
cambia hasta llegar a un estado estacionario.
-Cuando se alcanza el estado estacionario se
requiere un flujo de calor Q para mantener la
diferencia (T1-To)

Perfil de temperatura

Para valores pequeños de T = T1-To se puede escribir:

Q
T
k
A
Y
Flujode calor por área unitaria es proporcional a la disminución
de T en Y.

En forma diferencial:

q y  k

dT
dy

Ley de Fourier unidimensional para T= T(y)

La constante de proporcionalidad k se denomina conductividad
térmica.

k es una propiedad física del material que depende de T y P local.
para medio isotrópico.
q  kT

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DIFUSIVIDAD TERMICA
k

cP
ˆMEDICION DE CONDUCTIVIDAD TERMICA k
Ej. Se encontró que un panel de área 0.1 m2 y espesor de 6.5 mm
conduce calor con una velocidad de 3 J /s en estado estacionario
cuando To = 24 °C y T1 = 26°C en las caras del panel.
¿Cuál es la conductividad térmica de este material?

q y  k

dT
dy

ó

Q
T
k
A
Y

T = 2 K
k = QY/(A.T) = 3x0.65/(4.18x 1000 x2)
k = 2.33x10-4 cal/cm.s.KDETERMINACION DE LA ECUACION DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Por BALANCE DE ENERGIA:

1. Se selecciona una placa o un cascarón (volumen diferencial) cuyas
superficies son normales a la dirección de conducción de calor.
2. Se escribe para este volumen la ley de conservación de energía.
Para condiciones de estado estacionario se tiene:
Flujo de energía
térmica que entra

- Flujo de energíatérmica que sale

+

Velocidad de
producción de = 0
energía térmica

Este balance CONDUCE a una ecuación diferencial para la
distribución de temperatura.
CONDICIONES LIMITES:
Condiciones de borde
Condiciones de frontera

T en superficies se conoce o se define.
Q en superficies se conoce o se define.
En interfaz sólido–fluido: q = h(T-Tfluido).
En interfaz sólido-sólido:...