Transferencia de Calor

Transferencia de calor

Es la energía en tránsito debido a una diferencia de temperatura.

Modos en que ocurre la transferencia de calor

• Conducción: cuando existe un gradiente de temperatura en un medio estacionario y se da la transferencia de calor a través del medio.

• Convección: Transferencia de calor que ocurrirá entre una superficie y un fluido en movimiento cuando están a diferentes temperaturas.

• Radiación: las superficies con temperatura finita emiten energía en forma de ondas electromagnéticas.

CONDUCCIÓN

x

TkAqk

qk = razón de flujo de calor. (Watt)

A = área de transferencia de calor. (m2)

K = conductividad térmica. (Watt/mK)

T = temperatura local (K)

X = distancia en la dirección del flujo de calor. (m)

CONVECCIÓN

ThAq cC qc = Tasa de transferencia de calor por convección. (Watt)

A = área de transferencia de calor. (m2)

= coeficiente de transferencia de calor promedio por convección a través del área. (Watt/m2K)

T = Diferencia entre la temperatura superficial Ts y una temperatura del fluido T en un lugar específico. temperatura local (K)

ch

RADIACIÓN

44alredsR TTAq

qR = Tasa de transferencia de calor por radiación. (Watt)

A = área de transferencia de calor. (m2)

= constante adimensional igual a 5.67*10-8. (Watt/m2K4)

T = Temperatura, K

= emisividad 0 1

EjerciciosUna relación empírica para determinar el coeficiente de transferencia de calor promedio para un flujo de aire dentro de un tubo está dad por:

7.0

3.0

10.0D

Vhc

hc = coeficiente de transferencia de calor, Btu/h ft2 °F

V = velocidad, ft/s

D = diámetro interno, ft.

Si hc se tiene que expresar en watts por metro cuadrado por grados kelvin. Cuál debe ser la constante en lugar de o.10?

Ejercicios

La superficie exterior de un muro de concreto de 0.2 m de espesor se mantiene a una temperatura de -5°C, mientras que la interior se mantienes a 20°C. La conductividad térmica del concreto es 1.2 Watt/mK. Determine la pérdida de calor a través del muro de 10 m de largo y 3 m de alto.

EjerciciosSe tiene que construir la pared de un horno con ladrillo de dimensiones estándar de 9 por 4.5 por 3 pulgadas. Se cuenta con dos clases de material: la primera tiene una temperatura máxima utilizable de 1900°F y una conductividad térmica de 1 Btu/h ft °F y la otra tiene un límite de temperatura máxima de 1600°F y una conductividad térmica de 0.5 Btu/h ft °F. Los ladrillos cuestan lo mismo, pero se desea diseñar la pared más económica para un horno que tendrá una temperatura de 1900°F del lado caliente y de 400°F del lado frío. Si la cantidad de transferencia de calor máxima permisible es de 300 Btu/h por cada pie cuadrado de área, determine la disposición más económica utilizando los ladrillos disponibles.

EjerciciosEl coeficiente de transferencia de calor de un gas que fluye sobre una placa plana delgada de 3 m de largo y 0.3 m de ancho varía con la distancia a la arista de trabajo de acuerdo con:

hc (x) = 10x-1/4 W/m2K

Si la temperatura de la placa es de 170°C y la del gas de 30°C, calcule:

a. El coeficiente de transferencia de calor promedio.

b. La razón de transferencia de calor entre la placa y el gas.

c. El flujo de calor local a 2 m de la arista de trabajo.

SISTEMAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR COMBINADOS

PAREDES PLANAS EN PARALELO

)()()( 433221 TTL

kATT

L

kATT

L

kAq

CBAk

N

nnk

k

R

Tq

1,

CONDUCCIÓN EN PARALELO

Cómo se puede expresar el calor en términos de la temperatura?

CONDUCCIÓN EN SERIE Y PARALELO

Cómo se puede expresar el calor en términos de la temperatura?

CONVECCIÓN Y CONDUCCIÓN EN SERIE

N

n

fcc

Rn

TTq

1

)(

CONVECCIÓN Y CONDUCCIÓN EN SERIE

Cómo se pueden expresar las resistencias en cada sección?

CONVECCIÓN Y RADIACIÓN EN PARALELO

Rr

TT

Rc

TTq

TTArhchq

qrqcq

2121

21 )()(

CONVECCIÓN Y RADIACIÓN EN PARALELO

AhRr

AhRc

r

c

1

1

)(

)(

21

42

41

TT

TThr

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

TUAq

32111

)(

RRR

T

cAhkAL

cAh

TTq

friocal

friocaliente

RtotalRRRUA

1

321

1

EjerciciosUna sección de pared compuesta con las dimensiones mostradas a continuación tiene temperaturas uniformes de 200°C y 50°C en las superficies izquierda y derecha respectivamente. Si las conductividades térmicas de los materiales de la pared son: Ka=70 W/mK, Kb=60 W/mK, Kc=40 W/mK, Kb=20 W/mK. Determine la razón de transferencia de calor a través de esta sección de pared y las temperaturas en las superficies de contacto.

EjerciciosRepita el problema anterior pero suponga que en lugar de temperaturas superficiales, las temperaturas dadas son las del aire en las caras izquierda y derecha de la pared y que los coeficientes de transferencia de calor por convección en la superficie izquierda y derecha son de 6 y 10 W/m2K.

Ejercicios

Un calentador solar simple se compone de una placa plana de vidrio debajo de la cual hay una bandeja poco profunda llena de agua, de modo que el agua está en contacto con la placa de vidrio. La radiación solar pasa a través del vidrio a razón de 156 BTU/hft2, el agua está a 200°F y el aire circundante está a 80°F. Si los coeficientes de transferencia de calor entre el agua y el vidrio y entre el vidrio y el aire son de 5 y 1.2 BTU/h ft2°F respectivamente. Calcule el tiempo necesario para transferir 100 BTU por pie cuadrado de superficie al agua en la bandeja, se puede suponer que su superficie inferior está aislada

EjerciciosLa pared de un refrigerador se compone de un panel de corcho de 2 pulgadas emparedado entre una hoja de encino con1/2 pulgada de espesor y un recubrimiento de aluminio con 1/32 de pulgada de espesor sobre la superficie interna. Los coeficientes de transferencia de calor promedio al interior y exterior de la pared son de 2 y 1.5 BTU/h ft2°F respectivamente.a. Calcule las resistencias individuales de los componentes de esta pared compuesta y la resistencia en las superficies.b. Calcule el coeficiente total de transferencia de calor a través de la pared.c. Con una temperatura del aire de 30°F en el interior del refrigerador y de 90°F en el exterior, calcule la razón de transferencia de calor por unidad de área.