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Balance de energía
Jhonnatan Pomatoca
Facultad de Mecánica, Mantenimiento Industrial
Termodinámica
Ing. Edwin Jacome
Viernes, 11 de noviembre de 2022
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Cuáles son los tres principios de transferencia de calor, indique las ecuaciones que los
gobiernan y sus principales aplicaciones.
El calor se transfiere mediante: convección, radiación o conducción. Aunque estos
tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos
predomine sobre los otros dos.
Conducción
Se considera como la transferencia de energía de las partículas más energéticas a las
menos energéticas de una situación debido a las interacciones entre las mismas. En los
sólidos la única forma de transferencia de calor es la conducción (Duarte et al., s. f.)
La conducción de calor sólo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos partes
del medio conductor. Si se llama H (en Watts) al calor transferido por unidad de tiempo, la
rapidez de transferencia de calor H = ∆Q/∆t, está dada por la ley de la conducción de calor de
Fourier.
𝐻=
𝑑𝑄
𝑑𝑇
= −𝐾𝐴 ∗
𝑑𝑡
𝑑𝑥
Donde k (en W/mK) se llama conductividad térmica del material, magnitud que
representa la capacidad con la cual la sustancia conduce calor y produce la consiguiente
variación de temperatura; y dT/dx es el gradiente de temperatura. El signo menos indica que
la conducción de calor es en la dirección decreciente de la temperatura.(Mecanismos de
transmisión de calor (CONDUCCION, CONVECCION, RADIACION).pdf, s. f.)
Ecuaciones que las gobiernan
•
Calor o transferencia de calor o velocidad de transferencia de calor: q [J/s =
W].
•
Flujo calorífico o de calor: q′′ [W/m2 ].
•
Conductividad térmica: k [W/m·K].
•
Potencia emisiva superficial: E [W/m2 ].
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•
Constante de Stefan-Boltzmann: σ = 5,67·10-8 W/m2 ·K4. (González & de,
s. f.)
Aplicaciones
•
Lo largo de los instrumentos para manipular carbón u otros objetos
potencialmente muy calientes. Si su extensión fuera más corta, la transferencia
de calor sería más rápida y no se podría tocar ninguno de los extremos.
•
El hielo en una tasa de agua caliente se derrite por medio de la conducción.
•
Al hervir agua, la llama conduce el calor al recipiente y al cabo de un tiempo
permite calentar el agua.
•
El calor que tiene una cuchara al dejarla en un recipiente y volcar una sopa
extremadamente caliente sobre él.
•
Los cuchillos y tenedores utilizan un mango de madera para romper con la
conducción del calor.
Convección
La convección se define como el calor transmitido en un líquido o en un gas como
consecuencia del movimiento real de las partículas calentadas en su seno. Si este movimiento
es debido al efecto de la gravitación, en virtud de las diferencias de densidad, se llama
convección natural. Si, por el contrario, el movimiento del fluido es producido por fuerzas
exteriores, no relacionadas con la temperatura del fluido, la convección es
forzada.(Tarea.1.TransferenciaDeCalor20200306-89401-17j73q3-with-cover-page-v2.pdf,
s. f.)
En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmósfera por conducción y
radiación cerca de la superficie es transportado a otras capas o niveles de la atmósfera por
convección. Un modelo de transferencia de calor H por convección, llamado ley de
enfriamiento de Newton, es el siguiente:
𝑯 = 𝒉𝑨 (𝑻𝒂 − 𝑻)
Donde h se llama coeficiente de convección, en W/(m2 K), A es la superficie que
entrega calor con una temperatura TA al fluido adyacente, que se encuentra a una
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temperatura T. (Mecanismos de transmisión de calor (CONDUCCION, CONVECCION,
RADIACION).pdf, s. f.)
Ecuaciones que las gobierna.
•
Ley de enfriamiento de Newton: 𝑞 ′′= ℎ(𝑇𝑠 − 𝑇𝑥 ); 𝑞 = ℎ𝐴((𝑇𝑠 − 𝑇𝑥 )
•
Coeficiente de transferencia de calor por convección local, h o promedio, h
[W/m2 ·K]
𝑝𝜇𝛼 𝑥
𝜇𝛼 𝑥
•
Número de Reynolds: 𝑅𝑒𝑥 =
•
Relación del coeficiente de convección en la capa límite: ℎ =
𝜇
=
𝑣
−𝐾𝑓 −𝜕𝑇/𝜕𝑦{
𝑦=0
𝑇𝑠 −𝑇𝑥
(González & de, s. f.)
Aplicaciones
•
La transferencia de calor de una estufa.
•
Los globos aerostáticos, que se mantienen en el aire por medio del aire
caliente. Si se enfría, inmediatamente el globo comienza a caer.
•
Cuando el vapor de agua empaña los vidrios de un baño, por la caliente
temperatura del agua al bañarse.
•
El secador de manos o de pelo, que transmiten calor por convección forzada.
•
La transferencia de calor generada por el cuerpo humano cuando una persona
está descalza.
Radiación
La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la
convección, las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que
pueden estar separadas por un vacío.(Duarte et al., s. f.)
A diferencia de la conducción y la convección, o de otros tipos de onda, como el
sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética es
independiente de la materia para su propagación, de hecho, la transferencia de energía por
radiación es más efectiva en el vacío. Sin embargo, la velocidad, intensidad y dirección de su
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flujo de energía se ven influidos por la presencia de materia. Así, estas ondas pueden
atravesar el espacio interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las
estrellas. La longitud de onda (λ) y la frecuencia (ν) de las ondas electromagnéticas,
relacionadas mediante la expresión λν = c, son importantes para determinar su energía, su
visibilidad, su poder de penetración y otras características. Independientemente de su
frecuencia y longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío con
una rapidez constante c = 299792 km/s, llamada velocidad de la luz.
Los fotones son emitidos o absorbidos por la materia. La longitud de onda de la
radiación está relacionada con la energía de los fotones, por una ecuación desarrollada por
Planck:
E = hc /λ
Donde h se llama constante de Planck, su valor es h = 6,63 x 10ˆ-34 Js. (Mecanismos
de transmisión de calor (CONDUCCION, CONVECCION, RADIACION).pdf, s. f.)
Formulas gobernantes
•
𝑑𝑞
𝑊
𝑒
Intensidad espectral emitida: 𝐼𝜆𝑒 (𝑇, 𝜆, 𝜃, ∅) = 𝑑𝐴𝑐𝑜𝑠𝜃𝑑𝑤𝑑
= [𝑚2 ∗𝑠𝑟∗𝜇𝑚]
(González & de, s. f.)
Aplicaciones
•
La transmisión de ondas electromagnéticas a través del horno microondas.
•
El calor emitido por un radiador.
•
La radiación ultravioleta solar, precisamente el proceso que determina la
temperatura terrestre.
•
La luz emitida por una lámpara incandescente.
•
La emisión de rayos gamma por parte de un núcleo.
Consulte por lo menos tres artículos científicos que hablen sobre el mecanismo de
conducción de calor unidimensional. Escriba un párrafo de resumen de cada uno y cítelos en
norma APA.
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Cálculo de la velocidad de transferencia de calor y temperatura en cualquier
punto en el medio, para la conducción unidimensional de calor en estado estable en un
casco cilíndrico largo mediante un programa computacional
La transferencia de calor tiene dirección, así como magnitud. La velocidad de la
conducción de calor en una dirección específica es proporcional al gradiente de temperatura,
el cual es el cambio en la temperatura por unidad de longitud en esa dirección. Se dice que la
conducción del calor en un medio es unidimensional cuando la conducción se realiza
significativamente sólo en una dirección y es despreciable en las otras dos dimensiones,
bidimensional cuando la conducción en la tercera dimensión es despreciable y tridimensional
cuando la conducción en todas las dimensiones es significativa. (Evangelista, s. f.)
Modelación unidimensional de la transferencia de calor en intercambiadores de
una hornilla panelera
La presente investigación consiste en la elaboración de un modelo matemático que
sirve como herramienta para poder describir e interpretar los fenómenos de transferencia de
calor involucrados en las pailas de la hornilla panelera. El principal objetivo del modelo
matemático realizado es calcular las potencias térmicas que se transmiten desde los gases de
combustión hacia el jugo de caña de azúcar y sus correspondientes coeficientes de
transferencia de calor, a partir de los datos de operación (temperaturas, flujos másicos,
dimensiones geométricas, etc.) de una hornilla panelera. (Delgado-Ramírez, s. f.)
Transferencia de calor resonante en una cadena Unidimensional con
acoplamiento variable
En este trabajo estudiamos la posibilidad de controlar el transporte de energía a lo
largo de una cadena no lineal unidimensional que consiste en dos segmentos con diferentes
estructuras conectados mediante un acoplamiento modulado temporalmente. Los extremos de
cada conductor están acoplados a reservorios térmicos también modulados en el tiempo.
Analizamos la existencia de rectificación térmica y de comportamientos resonantes de la
corriente de energía, como función de las frecuencias características del sistema.(Carusela
et al., 2014)
Consulte por lo menos tres artículos científicos que hablen sobre el mecanismo de
transferencia de calor por radiación. Escriba un párrafo de resumen de cada uno y cítelos en
norma APA.
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La radiación infrarroja como mecanismo de transferencia de calor de alta
calidad en procesos de calentamiento
En este artículo se pretende abordar la radiación infrarroja como un mecanismo
principal de transferencia de calor de alta calidad en diferentes procesos de calentamiento,
resaltar la pertenencia y problemática en el uso, el calentamiento por medio de la radiación
infrarroja, se muestra como una alternativa viable para el progreso del sector productivo, no
sólo por poder brindar mejores eficiencias en el sistema y calidad en los productos sino
también por ampliar las posibilidades para el uso de otros recursos energéticos, como los
combustibles fósiles y de origen renovable, utilizando tecnologías más eficientes que
permitan reducir los costos de producción. (Castañeda et al., 2012)
Modelación y Simulación de la Transferencia de Calor en Muros de Bloque de
Concreto Hueco
Se presenta el estudio de transferencia de calor en un muro de bloques de concreto
con cavidades, para conocer su resistencia térmica. Se plantea un modelo teórico
unidimensional en estado estacionario, considerando conducción, radiación y convección. .
Se tiene especial énfasis en estimar las aportaciones que cada mecanismo de transferencia de
calor tiene al transporte total de energía. (Borbón, 2010)
Mecanismos de transferencia de calor que ocurren en tratamientos térmicos de
alimentos.
Con frecuencia, durante el procesamiento, los alimentos se someten a diferentes
tratamientos térmicos, con la finalidad de extender su vida de anaquel. Entre estos procesos
se encuentra la etapa de Horneado que es un proceso de transferencia de calor y de masa
simultaneo. Durante la cocción, el calor se transfiere principalmente por: (a) convección del
medio de calentamiento, (b) por la radiación de las paredes del horno y (c) por conducción
como resultado del calentamiento por contacto con la superficie caliente en la parte inferior.
Este tratamiento se caracteriza por la baja humedad y las altas temperaturas. (Perez-Reyes-etal-2013.pdf, s. f.)
Qué es la convección natural y la convección forzada. (Esta consulta solo se acepta de
libros) y cítelos en norma APA.
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Convección Forzada.- Hay convección forzada si el fluido es forzado a fluir en un
tubo sobre una superficie por medios externos, como un ventilador, una bomba o el viento.
Convección Natural o Libre.- Se trata de convección libre si el movimiento del
fluido es ocasionado por las fuerzas de flotación inducidas por diferencias de densidad
debidas a la variación de temperatura en el fluido. (Termodinamica - Cengel 7th espanhol.pdf, s. f., p. 120)
Consulte 10 aplicaciones de intercambiadores de calor en el Ecuador.
“DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS
PARA EL APROVECHAMIENTO DE GASES RESIDUALES DE UNA CALDERA DE
125 BHP DE POTENCIA PARA LA EMPRESA GN. INDUSTRIAL EN LA PROVINCIA
DE TUNGURAHUA CANTÓN AMBATO.”
Diseñar un intercambiador de calor de coraza y tubos para el aprovechamiento de
gases residuales de una caldera de 125 BHP de potencia. El calor puede ser denotado como la
energía que puede transportarse de un régimen a otro como consecuencia de una diferencial
de temperatura. Es por eso por lo que al hablar de un análisis termo dinámico estamos
hablando de una valoración cualitativa de una disconformidad entre temperatura que
permiten un diferencial de temperatura entre dos puntos en concreto. (Tesis I. M. 657 Martínez Ochoa Oscar Maximiliano.pdf, s. f.)
DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBO Y
CORAZA CON UNA CAPACIDAD DE 31 m3 /h PARA EL PROCESO DE
ENFRIAMIENTO DE AGUA HASTA 16 °C EN LA PLANTA SIGMAPLAST.
Un intercambiador de calor es un equipo que ayuda a llegar a un equilibrio térmico a
dos fluidos que se encuentran a distintas temperaturas y evitando al mismo tiempo que dicho
13 fluidos tengan contacto entre sí. (UPS - TTS331.pdf, s. f.)
Aplicaciones en precalentador
En sistemas de vapor de gran escala, o en sistemas donde se requieren grandes
temperaturas, el fluido de entrada es comúnmente precalentado en etapas, en lugar de tratar
de calentar dicho fluido en una sola etapa desde el ambiente hasta la temperatura final. El
precalentamiento en etapas incrementa la eficiencia de la planta y minimiza el choque
térmico de los componentes, que es el caso de inyectar fluido a temperatura ambiente en una
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caldera u otro dispositivo operando a alta temperatura. En el caso de sistemas de generación
de vapor, una porción del vapor generado es sustraído y utilizado como fuente de calor para
recalentar el agua de alimentación en etapas
Aplicaciones en Radiador
Comúnmente, los intercambiadores de calor están pensados como dispositivos
líquido-a-líquido solamente. Pero un intercambiador de calor es cualquier dispositivo que
transfiere calor a partir de un fluido a otro fluido. Algunas plantas dependen de
intercambiadores de calor aire/liquido. El ejemplo más familiar de un intercambiador de calor
aire-a líquido es un radiador de automóvil. El líquido refrigerante fluye por el motor y toma
el calor expelido y lo lleva hasta el radiador. El líquido refrigerante fluye entonces por tubos
que utilizan aire fresco del ambiente para reducir la temperatura del líquido refrigerante. Ya
que el aire es un mal conductor del calor, el área de contacto térmico entre el metal del
radiador y el aire se debe maximizar. Esto se hace usando aletas en el exterior de los tubos.
Las aletas mejoran la eficacia de un intercambiador de calor y se encuentran comúnmente en
la mayoría de los intercambiadores de calor del aire/líquido y en algunos intercambiadores de
calor líquido/líquido de alta eficacia.
Aplicaciones en aire acondicionado, evaporador y condensador
Todos los sistemas de aire acondicionado contienen por lo menos dos
intercambiadores de calor, generalmente llamados evaporador y condensador. En cualquier
caso, el evaporador o el condensador, el refrigerante fluye en el intercambiador de calor y
transfiere el calor, ya sea ganándolo o expeliéndolo al medio frío. Comúnmente, el medio frío
es aire o agua. En el caso del condensador, el gas refrigerante caliente de alta presión se debe
condensar a en un líquido subenfriado. El condensador logra esto enfriando el gas al
transferir su calor al aire o al agua. El gas enfriado es entonces condensado en líquido. En el
evaporador, el refrigerante subenfriado fluye en el intercambiador de calor, y el flujo del
calor se invierte, con el refrigerante relativamente frío se absorbe calor absorbido del aire más
caliente que fluye por el exterior de los tubos. Esto enfría el aire y hace hervir al refrigerante.
Aplicaciones en condensadores de vapor
El condensador del vapor es un componente importante del ciclo del vapor en
instalaciones de generación de potencia. Es un recinto cerrado en el cual el vapor sale de la
turbina y se fuerza para ceder su calor latente de la vaporización. Es un componente necesario
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del ciclo del vapor por dos razones. La primera, convierte el vapor usado nuevamente en agua
para regresarla al generador o a la caldera de vapor como agua de alimentación. Esto baja el
costo operacional de la planta permitiendo reutilizar el agua de alimentación, y resulta más
fácil bombear un líquido que el vapor. La segunda razón, aumenta la eficiencia del ciclo
permitiendo que el ciclo funcione opere con los gradientes más grandes posibles de
temperatura y presión entre la fuente de calor (caldera) y el sumidero de calor (condensador).
Condensando el vapor del extractor de la turbina, la presión del extractor es reducida arriba
de la presión atmosférica hasta debajo de la presión atmosférica, incrementando la caída de
presión del vapor entre la entrada y la salida de la turbina de vapor. Esta reducción de la
presión en el extractor de la turbina genera más calor por unidad de masa de vapor entregado
a la turbina, por conversión de poder mecánico. Ya que ocurre condensación, el calor latente
de condensación se usa en lugar del calor latente de vaporización. El calor latente del vapor
de la condensación se pasa al agua que atraviesa los tubos del condensador. Después de que
el vapor condenso, el líquido saturado continúa transfiriendo calor al agua que se enfría al ir
bajando hasta el fondo del condensador. Algunos grados de subenfriado previenen la
cavitación de la bomba
Aplicaciones en proceso del petróleo
En algunas industrias, el petróleo tiene que ser enfriado usando agua. Esta agua puede
ser conectada a un sistema de recuperación de calor que recupera el calor del petróleo para
varios usos, como el calentamiento del agua del grifo, etc.
Algunos usos típicos de los intercambiadores de calor de placas:
- Refrigeración de aceite hidráulico
- Enfriamiento de aceite de enfriamiento
- Refrigeración del aceite de motor en los bancos de pruebas de los motores
Los intercambiadores de calor de placas pueden funcionar con aceites con
viscosidades tan altas como 2.500 centiPoise. Las emulsiones también pueden ser usadas en
intercambiadores de calor de placas, y puede ser tratado como el agua cuando las
concentraciones son inferiores al 5%.
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Aplicaciones Sanitarias:
Son aquellas aplicaciones destinadas a la industria alimentaria, en donde hay que poner
especial atención en los acabados, la limpieza CIP y la drenabilidad del equipo.
Aplicaciones Farmacéuticas:
Son aquellas aplicaciones destinadas a la industria farmacéutica y biotecnológica,
donde la certificación de rugosidad juega un papel primordial, y cuyo diseño está
especialmente destinado a evitar la contaminación cruzada.
Aplicaciones Industriales:
Son aquellas aplicaciones destinadas a la industria química y petroquímica, en donde
prima garantizar una larga vida útil, y la alta fiabilidad de los equipos.
Conclusiones
El diseño térmico de los intercambiadores es un área en donde tienen numerosas
aplicaciones los principios de transferencia de calor. El diseño real de un intercambiador de
calor es un problema mucho más complicado que el análisis de la transferencia de calor
porque en la selección del diseño final juegan un papel muy importante los costos, el peso, el
tamaño y las condiciones económicas. Así, por ejemplo, aunque las consideraciones de costos
son muy importantes en instalaciones grandes, tales como plantas de fuerza y plantas de
proceso químico las consideraciones de peso y de tamaño constituyen el factor predominante
en la selección del diseño en el caso de aplicaciones especiales y aeronáuticas.
Bibliografías
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Bloque de Concreto Hueco. 12.
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