Miercoles

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ENERGÉTICA
UNIVERSIDAD DE CANTABRIA

INGENIERÍA TÉRMICA Y DE FLUIDOS

Pedro Fernández Díez

I.- PRINCIPIOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

I.1.- INTRODUCCIÓN La Ingeniería Térmica trata de los procesos de transferencia de calor y la metodología para calcular la velocidad temporal conque éstos se producen y así poder diseñar los componentes ysistemas en los que son de aplicación. La transferencia de calor abarca una amplia gama de fenómenos físicos que hay que comprender antes de proceder a desarrollar la metodología que conduzca al diseño térmico de los sistemas correspondientes. Algunos ejemplos de diseño pueden ser: a) Los que requieren disminuir las cantidades de calor transferido mediante un aislante térmico, o amplificarlasmediante aletas u otros sistemas b) Los que implican procesos de transferencia de calor de un fluido a otro mediante intercambiadores de calor c) Los que controlan térmicamente un proceso, manteniendo las temperaturas de funcionamiento de los elementos sensibles al calor dentro de unos márgenes predeterminados, etc. Siempre que existe una diferencia de temperatura, la energía se transfiere de la regiónde mayor temperatura a la de temperatura más baja; de acuerdo con los conceptos termodinámicos la energía que se transfiere como resultado de una diferencia de temperatura, es el calor. Sin embargo, aunque las leyes de la termodinámica tratan de la transferencia de energía, sólo se aplican a sistemas que están en equilibrio; pueden utilizarse para predecir la cantidad de energía requerida paramodificar un sistema de un estado de equilibrio a otro, pero no sirven para predecir la rapidez (tiempo) conque puedan producirse estos cambios; la fenomenología que estudia la transmisión del calor complementa los Principios termodinámicos, proporcionando unos métodos de análisis que permiten predecir esta velocidad de transferencia térmica.
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Para ilustrar los diferentes tipos de informaciónque se pueden obtener desde ambos puntos de vista, (termodinámico y transferencia de calor) consideraremos, a título de ejemplo, el calentamiento de una barra de acero inmersa en agua caliente. Los principios termodinámicos se pueden utilizar para predecir las temperaturas finales una vez los dos sistemas hayan alcanzado el equilibrio y la cantidad de energía transferida entre los estados deequilibrio inicial y final, pero nada nos dicen respecto a la velocidad de la transferencia térmica, o la temperatura de la barra al cabo de un cierto tiempo, o del tiempo que hay que esperar para obtener una temperatura determinada en una cierta posición de la barra. Un análisis de la transmisión del calor permite predecir la velocidad de la transferencia térmica del agua a la barra y de estainformación se puede calcular la temperatura de la barra, así como la temperatura del agua en función del tiempo. Para proceder a realizar un análisis completo de la transferencia del calor es necesario considerar tres mecanismos diferentes, conducción, convección y radiación. El diseño y proyecto de los sistemas de intercambio de calor y conversión energética requieren de cierta familiaridad con cadauno de estos mecanismos, así como de sus interacciones; en primer lugar consideraremos los principios básicos de la transmisión del calor y algunas aplicaciones simples, que serán de utilidad en capítulos posteriores, en los que serán tratados con más detalle. I.2.- TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONDUCCIÓN La conducción es el único mecanismo de transmisión del calor posible en los medios sólidos opacos;cuando en estos cuerpos existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura, siendo el calor transmitido por conducción Qk, proporcional al gradiente de temperatura dT/dx, y a la superficie A, a través de la cual se transfiere, Fig I.1.a, es decir: Qk ≅ A dT dx

en donde T es la temperatura y x la dirección del flujo de calor....