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INTRODUCCION A LA TRANSMISION DE CALOR1.- IntroducciónPara la transmisión de calor es necesario diferencia detemperatura, transmitiéndose el calor de los cuerpos de mayortemperatura a los de menor.Mecanismos de transmisión de calor: Conducción, en el interior de los cuerpos. Convección, entre sólidos y fluidos. Radiación, a través de un fluido, o el vacío. Transferencia de masa; (psicometría).1
2.- Conducción (I)Interior de los sólidos.Conductividad térmica, λ (W / m ºC), (tablas)marca los conductores y aintes térmicos, es función de la temperatura delmaterialMaterialλ (W / m ºC)Materialλ (W / m ºC)Cobreλ (W / m choGranitoHormigón (seco)Ladrillo0,0430,1280,3-5200 K273 K400 K413401392Diferentes casos típicos en refrigeración y aire acondicionado1.- Para una pared de conductividad térmica λLa resistencia de conducción de la pared Rk δ / λ A. t t t t pipe pipe A P λ t pi t pe δ δ RkλA2
2.- Conducción (II)2.- Para una pared plana recubierta de un aislante de conductividad λ , t t t t p ppe A A t t pi P λ t pi t p λ δδ δ δ p pe λAλ A t t t t t t t t pip ppe pipe pipe δδ RkRk Rk Rk λ A λ A;3.- Para una tubería cilíndrica de conductividad térmica λLa resistencia de conducción del tubo Rk Ln (re / ri) / 2 π λ L.t pi t pet pi t pet pi t peP 2π λ L Ln ( re / r i ) Ln ( re / r i )Rk2π λ L;3
2.- Conducción (III)4.- Para una tubería cilíndrica rodeada de una vaina aislante deconductividad λ ,P 2π λ Lt pi t p t p t pet pi t p 2 π λ L Ln ( re / r ) Ln ( re / r i )Ln ( r / r i )2π λ L t pi t pet p t pet pi t p t p t pe; Ln ( re / r i )R k R k R k Rk2 π λ L5.- Para dos paredes en paralelo de áreas A1 y A2 de material diferente,de igual espesor, δ, cada una de ellas de diferente conductividadtérmica, λ1, λ2,Siendo Rk la resistencia térmica equivalente de las dos paredes.t pi t pet pi t pe t pi t pe ;P P1 P2 RkRk 2Rk1111 Rk Rk1 Rk 24
3.- Convección (I)Entre sólidos y fluidos.Coeficiente de transmisión de calor sólido-fluido o coeficiente deconvección, α (W / m2 ºC); es variable con geometría del sólido, laorientación, la naturaleza del fluido y del tipo de convección.Existen dos tipos de convección:– Forzada; el fluido en movimiento, una bomba, un ventilador, viento,corriente de agua, etc; α elevado.– Natural, el fluido está en reposo, α bajo.Dos tipos de fluidos:– Gases tienen un bajo α.– Líquidos poseen un α elevado.– Evaporaciones y condensaciones, α más elevado,5
3.- Convección (II)La transmisión de calor para una paredo una tubería rodeada por un fluido.t p tf t p tf P A α t p tf ;1 RcAαPudiéndose expresar el calor transmitido en función de la resistencia deconvección (Rc) entre el sólido y el fluido: Rc 1 / α AEntre una superficie y un fluido, para aumentar la transmisión de calor Pasar de conv. natural a forzada,incrementando el coeficiente α. Si el fluido es gas, se colocan aletas.6
3.- Convección (III)Dificultad en calcular el coeficiente α, para ello existe formulación decarácter experimental.Correlaciones de ASHRAE convección natural aire: Superficies cilíndricas de diámetro exterior D(Si D 0,1 m se toma D 0,1 m)Posición vertical:Posición horizontal:[ D]α 1,32 [ t D ]α 1,42 t0 ,250 ,25 Superficies planas;(Si L ó H 0,1 m se toma L ó H 0,1 m)0 ,25 tα 1,42Vert, altura H:H0 ,25 tHor. anchura L:Calor hacia abajo: α 0 ,59L[ ][ ]Calor hacia arriba: α 1,32 [ t ]L0 ,257
4.- RadiaciónTransmisión de calor incluso en el vacío.La cantidad de calor que abandona un cuerpo:Pemitido por 1 σ ε A t14 σ 5,67 10-8 (W / m2 K4) ε es la emisividad superficial depende del colorFactor de forma F marca la posición relativa de los cuerpos.Pemitido por 1 e interceptado por 2 σ x A1 x F1-2 x (t14 – t24) F1-2 engloba ε 1, ε2 , y la forma geométrica y su posición de los cuerpos.La radiación se “desprecia” a temperaturas bajas, pero no cuando uncuerpo tiene una temperatura elevada.Hay que tener en cuenta que el cuerpo humano es muy sensible a laspérdidas/ganancias de calor por radiación.Coeficiente superficial de radiación (αr).De esta forma:P 1 a 2 αr x A1 x (t1 – t2)8
5.- Mecanismos combinados de transmisión de calorNormalmente existe una combinación de conducción, convección yradiación.Alguno de los mecanismos puede ser despreciable.Para una pared plana que separa dos fluidos (radiación despreciable).tfi t pi t pi t pe t ttfi tfefifeP ;RciRkRceRci Rk RcePara aire acondicionado los efectos de la convección y los de laradiación de forma conjunta, la norma ISOPara tuberías horizontales (0,25 D 1 m):α A 0,05 tPara tuberías y paredes verticales:α B 0,09 tSuperficieAluminio brillanteAcero galvanizado sucioA2,55,3B2,75,59
6.- Coeficiente global de transmisión de calor, KEl coeficiente global de transmisión de calor, K, es el inverso de la sumade resistencias térmicas considerando un área de transmisión unidad:1K RR engloba todas las resistencias térmicas existentes.Cuando se trata de un tubo, hay que hacer referencia si K está referido alárea interior (Ki) o al área exterior del tubo (Ke).El calor transmitido queda en forma más simplificada:P K A T10
7.- Resistencia de contacto y suciedadDificulta la transmisión de calor.La resistencia de contacto es por la mala unión de dos superficiessólidas.Con el tiempo se deposita suciedad (incrustaciones) sobre lassuperficies afectando la transferencia de calor.La resistencia térmica se determina con ensayosHay que minimizar y eliminar las causas.La oxidación y la corrosión son un problema que hay que evitareliminando materiales que tiendan a provocarlas.11
8.- AislantesMateriales con un coef. Conduc. Tér. λ bajoLos efectos de su instalación son: Disminuir las pérdidas térmicas. Evitar temperaturas de contacto peligrosas, calderas, chimeneas,tuberías de agua caliente,. Evitar la condensación sobre las superficies frías.9.- Intercambiadores de calor (I)Transferir calor entre dos fluidos, con separación física por medio deuna pared.Fluido primario el caliente 1, y fluido secundario el frío 2.El parámetro principal es el calor intercambiado o potencia térmica delintercambiador, PT; se corresponde con el calor que cede el fluido12caliente.
9.- Intercambiadores de calor (II)Se llama fluido monofásico, contiene sólo una fase, fluido bifásicoel que contiene materia y gaseosa.Flujos paralelos o en equicorriente; y contracorriente.Caudales caliente y frío, q1 y q2 en m3/sMasas caliente y fría, m1 y m2 en kg/sLa densidad de los fluidos, ρ1 y ρ2 en kg/m3El calor específico de los fluidos caliente y frío, cp1 y cp2 en W/kg ºCLa capacidad calorífica de los fluidos caliente y frío, C1 y C2 en W/ºC,es el producto de masas por el calor específico13
9.- Intercambiadores de calor (III)Temperaturas características, limitan la posibilidad de intercambiotérmico:– La temperatura de entrada del fluido caliente, t11 en ºC– La temperatura de salida del fluido caliente, t12 en ºC– La temperatura de entrada del fluido frío, t21 en ºC– La temperatura de salida del fluido frío, t22 en ºCPerdida de presiónTipos de intercambiadores de calor en A.A.: Carcasa y tubos Placas Rotativos Flujos cruzados14
9.- Intercambiadores de calor (IV) Carcasa y tubos Placas Rotativos Flujos cruzados15
La transmisión de calor para una pared o una tubería rodeada por un fluido. Pudiéndose expresar el calor transmitido en función de la resistencia de convección (Rc) entre el sólido y el fluido: Rc 1 / αA Entre una superficie y un fluido, para aumentar la transmisión de calor Pasar de conv. natural a forzada,
