TRANFERENCIA DE CALOR

Capitulo 1Profesor: Manuel García BarruetaAlumno: Aquiles Torres Guarda

Transferencia de calor

La Transferencia de calor es la energía en tránsito debido a una diferencia de temperaturas en un cuerpo o entre cuerpos diferentes. Siempre que exista una diferencia de temperatura, la energía se transfiere de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura De acuerdo con los conceptos de la Termodinámica, la energía que setransfiere como resultado de una diferencia de temperatura es el calor.

Las leyes de la termodinámica tratan de la transferencia de energía, pero sólo se aplican a sistemas que están en equilibrio (pueden utilizarse para predecir la cantidad de energía requerida para modificar un sistema de un estado de equilibrio a otro), pero no sirven para predecir la rapidez (tiempo) con que pueden producirse estos cambios.

La Termodinámica de los procesos reversibles estudia la transferencia de energía en éstos, pero siempre a lo largo de una sucesión de estados de equilibrio. Sin embargo, en un proceso de intercambio de calor entre cuerpos a distintas temperaturas, en tanto se mantenga una diferencia finita de temperaturas entre los mismos habrá un flujo irreversible de calor entre dichos cuerpos y no tendremos estados de equilibrio. Sin embargo, sí podemos tener estados en los que las variables macroscópicas del sistema no cambian con el tiempo, pero que no corresponden a estados de equilibrio sino a estados estacionarios en los que se mantienen constantes las temperaturas de los distintos cuerpos involucrados y el flujo de calor entre ellos.

La energía se puede transferencia hacia una masa dada o desde esta por dos mecanismos: calor Q y trabajo w. el trabajo realizado por unidad de tiempo se llama potencia y se denota por la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo se llama razón de transferencia de calor y se denota

Cuando se cuenta con la razón de transferencia de calor , entonces se puede determinar la cantidad total de transferencia de calor Q durante un intervalo de tiempo a partir de q = (J) siempre que se conozca la variación de con el tiempo. Para el caso especial de = constante, la ecuación anterior se reduce a Q = (J)

La razón de transferencia del calor por unidad de are perpendicular ala dirección de esa transferencia se llama flujo de calor y el flujo promedio de calor e expresa = /m2)

En donde A es el area de transferencia de calor.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

También conocida como principio de conservación de la energía expresa que en el curso de un proceso, la energía no se puede crear ni destruir solo se puede cambiar de formas. Se expresa como el cambio neto ( aumento o disminución) e n la energía total de un sistema en el curso de proceso es igual ala dolencia ente la energía total que entra y la energía total que sale en el desarrollo del proceso

El balance de energía para cualquier sistema que pasa por cualquier proceso se puede expresar como Eent –Esal

(transferencia neta de energía por calor , trabajo, y masa) = sistema (cambio en las energías, cinética, potencial, etc. (J). O bien en la forma de razones como : ent- sal (velocidad de la transferencia neta de energía por calor, trabajo y masa) = (velocidad del cambio de energías internas , cinética, potencial, etc.)

la energía es una propiedad y el valor de un propiedad no cambia a menos que cambe el estado del sistema. Por lo tanto, el cambio en la energia de un sistema es igual a cero(si el sistema no cambia durante el proceso entonces el proceso es estacionario. ent= sal

En análisis de la transferencia de calor es usual tener interés únicamente en las formas de energía que se puedan transferir como resultado de una diferencia de temperatura es decir el calor o la energía térmica. El balance de enrgia se puede expresar como Qent – Qsal + Egen = Termica, sistema

BALANCE DE ENERGIA PARA SISTEMAS CERRADOS un sistema cerrado consta con una masa fija. La energía total E para la mayor parte de los sistemas

que se encuentran en la practica consiste en la energía interna U.

Sistema cerrado estacionario: Eent – Esal = (J) En donde se expresa el cambio en la energía interna en términos de masa, el calor especifico a volumen constante Cv y el cambio de temperatura . Cuando el sistema solo comprende transferencia de calor y ninguna interacción de trabajo cruza fronteras, la relación del balance de energía se reduce todavía mas Q = mCv (J). Donde Q es ka cantidad neta de transferencia de calor que entra o sale del sistema.

BALANCE DE ENERGIAS PARA SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO

flujo volumétrico = = AV (m2/s) flujo másico = =

cuando los cambios en la energia cinetica y potencial son despreciables que es el caso mas comun y no se tiene interaccion de trabajo el balance de energia para sistemas de fluo estacionario se reduce a

= (kJ/s)

La transmisión del calor tiene lugar por tres mecanismos básicos:

La ley básica de la conducción del calor (Joseph Fourier), establece: “La tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección”

= -kA DONDE : k =Conductividad termica A = área de sección transversal de la transferencia de calor = gradiente de temperatura

Independiente de que la convección sea natural o forzada, la cantidad de calor transmitido Qc, se puede escribir (Ley de enfriamiento de Newton)

= hAs (Ts – Tf ) Donde: h = Coeficiente de transmisión del calor por convección en la interface líquido – sólido (w/m2.k) A = Área superficial en contacto con el fluido (m2)

• La energía calorífica se transmite durante el contacto directo entre cuerpos (o partes de los mismos) a distintas temperaturas y tiene lugar mediante choques o acoplamientos entre las moléculas del sistema (unas en zonas más calientes, con mayor energía térmica y otras en las zonas más frías, con menor energía térmica), aunque no haya un movimiento macroscópico de las moléculas, o el material sea transparente a la radiación. Este proceso es de gran importancia en sólidos, pero de menor importancia en líquidos y gases, donde normalmente aparece combinado con la conveccion.conducción

• La transferencia de calor por convección puede ser forzada cuando está ayudada por el movimiento de las superficies en contacto con el fluido o libre (llamada también natural) cuando se produce únicamente en virtud de una diferencia de densidades causada por una diferencia de temperaturas. También puede venir acompañada de un cambio de fase, como ocurre durante la condensación o la ebullición, con unos intercambios de calor muy intensos.Convección

• La energía calorífica se transmite en forma de energía de la radiación electromagnética, emitida por todos los cuerpos por el hecho de encontrarse a una temperatura T , y que se propaga a la velocidad de la luz (porque es luz de distintas longitudes de onda) y puede ser absorbida por los cuerpos, aumentando su temperatura. La radiación es el único medio de transmisión del calor cuando ésta tiene lugar a través del vacío, y puede ser muy importante para altas temperaturas.Radiación

El flujo de calor es 6000 w/m2 en la superficie de un calentador eléctrico. La temperatura del calentados es 120°C cuando es enfriado por aire a 70°C. ¿ cual es el valor de h y cual sera la temperatura del calentador si q se reduce a 2000 w/m2?

DATO

S Q= 6000w/m2 Tc= 120°CTm = 70°Ch = ?T c = ? FO

RM

ULA

S q= h q= h (Tc - Tm)

h =

Tc =

SO

LUC

ION

h ==120Tc = Tc = 359.816°K =86.6°C

La parte delantera de un losa es de (K= 35 w/m*k) se mantiene 110°C y detrás se mantiene en 50°C. el area de la losa es 150.4m2 y un espesor de 0.03m. Calcular el flujo de calor y la v elocidad de transferencia.

dato

s

K= 35 w/ms Tc = 110°C =383.15kTm = 50°C = 323.15kA = 0.4m2Espesor=0.03m

q= ?

Form

ula

q= - k Q=-kA

solu

ción

q=-35() q= 70000Q=-35(o.4)) Q= 28000w

Una superficie metálica de 10 cm2 de area se encuentra a una temperatura de 2500k y emite drante un minuto una energía térmica de 4x104J encuentre:la energía emitida por la superficie si fuera un cuerpo negro y la razón de la radiación de esta superficie ala que un cuerpo negro de igual area y la misma temperatura

a) 1min= 60s Q= Q= )(60S)(1X10-3)(2500K) Q= 132, 890625 J

b) q= T4 =

18.059(min)(1min/60seg)(1w/1J/s)= 0.3

=

Calcle el flujo de calor por unidad de area y por radiacion entre dos placas paralelas e infinitamente grandes con un espesos muy pequeño entre ellos.Amba de comportan como cuerpo negro y se mantienen a 1000k y 500k

q= q= )(1000k-500k)q= )(9.375x1011

q= 53156.25

Un evaporador de simple efecto ha de concentrar 20.000lb/hr(9070Kg) de una solución de hidróxido de sodio al 20%, hasta un 50% de sólidos. La presión manométrica del vapor de agua es de 20 lbf/pulg2 (1,37 at) y la presión absoluta en el espacio de vapor, de 572 mmHg(11,0lbf/pul2). El coeficiente global U = 250 BTU/pie2.hr.ºF. La temperatura de alimentación es de 100ºF(37,8ºC).Calcular la cantidad de vapor de agua consumida

Balance Másico

20.000 lb/hr* 0,2 = mc * 0,5mc = 8000 lb/h de concentrado

Agua evaporada: 20.000 – 8000 = 12.000 lb/h

Balance de energía

Mv * v = mvapor agua* + ma * (Tc – Ta)

Calor latente Calor sensible

Temperatura de ebullición de la solución = 197ºFPresión = = 11,05 lb/pulg2De la tabla de vapor saturado se obtienen los calores latentes de vaporización

mv = 15.446 lb/h flujo del vapor de calefacción

Superficie de calefacción

Q = U*A*TT = 260-197

Q = 13.708.000 BTU/h

A = 83,85 m2

Calcular la pérdida de calor de una tubería al aire. Un tubo de acero de 2 pulgadas (diámetro nominal) lleva agua a 90 °C (194 °F), este se encuentra expuesto al aire ambiente a una temperatura de 25 °C (77 °F). ¡Cuál será la pérdida decalor por pie lineal?