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Es el proceso por el cual el calor se transfiere a través de un fluido, como un líquido o un gas, mediante el movimiento del fluido mismo.

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En un laboratorio de biotecnología, se está llevando a cabo un experimento que involucra dos placas paralelas verticales de dimensiones L×HL×H colocadas a diferente temperatura. La placa caliente tiene una temperatura constante de TH y la placa fría tiene una temperatura constante de TC, con TH>TC. Se supone que se establece un flujo de calor por convección natural entre las dos placas

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Temperatura de la placa caliente (TH): 100°C.

Temperatura de la placa fría (TC): 25°C.

Distancia entre las placas (H): 0.02 metros.

Longitud de las placas (L): 0.1 metros.

Propiedades del aire:

Conductividad térmica (kaire): 0.026 W/(m·°C).

Viscosidad cinemática (ν): 15.11×10−615.11×10−6 m²/s.

Prandtl número (Pr): 0.71.

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Diferencia entre Convección Natural y Forzada

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Diferencia entre Convección Natural y Forzada

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¿Qué es un termofluido y que propiedades los caracterizan?

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¿Qué es un termofluido y que propiedades los caracterizan?

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Es un tipo de fluido utilizado para la transferencia de calor, como agua, aire, aceite, etc.

Algunas de sus características son:

Conductividad térmica (k): Capacidad para conducir calor.

Viscosidad cinemática (ν): Relación entre la viscosidad dinámica y la densidad.

Capacidad térmica (cp): Cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de una unidad de masa.

Densidad: Masa por unidad de volumen.

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¿Cuáles son las principales características de la transferencia de calor en el flujo turbulento?

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¿Cuáles son las principales características de la transferencia de calor en el flujo turbulento?

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Un flujo turbulento presenta fluctuaciones de manera constante es decir, el movimiento del fluido se da de forma caótica y las partículas se mueven de manera desordenada, haciendo que sus trayectorias se mezclen de manera aleatoria.

Por lo que tiene mayor coeficiente de transferencia de calor debido a la mezcla y el arrastre, se utiliza del número de Reynolds para identificar la transición a turbulento y presenta predominancia de fluctuaciones rápidas y vórtices en el flujo.

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Describe de forma simple lo que representa un rollo de convección:

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Describe de forma simple lo que representa un rollo de convección:

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es un patrón de flujo característico que se forma en ciertos sistemas de transferencia de calor por convección natural. Se presenta cuando el aire caliente asciende y el frío desciende, creando un bucle circular. Este fenómeno es común en procesos naturales como el clima y en aplicaciones industriales.

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Esquema del proceso de transferencia de calor por radiación

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Esquema del proceso de transferencia de calor por radiación

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Sabemos que la placa caliente tiene una temperatura más alta que la placa fría, por lo que el calor fluye desde la placa caliente hacia la placa fría. Al obtener un flujo de calor negativo, se confirma esta dirección de transferencia de calor, ya que el calor siempre fluye de caliente a frío para alcanzar el equilibrio térmico.

La ley de Fourier dice que el flujo de calor es proporcional al gradiente de temperatura, pero tiene un signo negativo porque el calor fluye en la dirección opuesta al gradiente (del calor al frío) por lo que si el gradiente de temperatura es positivo (es decir, la temperatura aumenta a medida que te mueves de la placa fría a la caliente), el flujo de calor será negativo, indicando que el calor se está moviendo hacia abajo, del caliente al frío.

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Se pudo entender que hay varias formas de reducir o controlar el flujo de calor, puede ser a través de aumentar la distancia entre superficies para reducir el gradiente de temperatura o utilizando materiales con baja conductividad térmica para bloquear el flujo de calor. Estas acciones son útiles para aplicaciones donde se quiere minimizar la pérdida de calor o mejorar la eficiencia energética.

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Ademas que los termofluidos, como el aire y el agua, juegan un papel esencial en la transferencia de calor ya que sus propiedades físicas y termodinámicas determinan la eficiencia y la cantidad de calor que pueden transportar por lo que, comprender estas propiedades es esencial para el diseño y el análisis de sistemas de transferencia de calor.

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Gabriel Garcia .(2021). Convección Natural Parte 1, 2 y 3 -Transferencia de Calor. YouTube.

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Convección Natural Parte 1 - Clase 18 Transferencia de Calor

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Rodolfo Herrera. (2023). FES Zaragoza. UAM. Wordpress.

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La radiación es la transferencia de calor que se realiza a través de ondas electromagnéticas. Se podría catalogar como transporte molecular, ya que la energía es producida por el cambio en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivo y transportado por las ondas electromagnéticas o fotones. No existe contacto directo entre los dos medios y el intermedio o interfase no participa en las funciones de intercambio - en la mayoría de ocasiones es el aire, aunque también hay transferencia de calor a través del vacío -.

La radiación del cuerpo negro representa la cantidad máxima de radiación que puede ser emitida desde una superficie a una temperatura específica.

El calor que recibe la Tierra desde el Sol, se transmite por radiación a través del espacio vacío. El calor que se siente al estar frente a una fogata también es transferido por radiación.

El físico alemán Max Planck en 1900, empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica estadística para formular la ley fundamental de la radiación. La expresión matemática de esta ley, relaciona la intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada, con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal - cuerpo negro - emite radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor.

La contribución de todas las longitudes de onda a la energía radiante emitida se denomina poder emisor del cuerpo, y corresponde a la cantidad de energía emitida por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. A partir de la ley de Planck, dos físicos austriacos, Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884 respectivamente, descubrieron que el poder emisor de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor de esa proporcionalidad se denomina constante de Stefan−Boltzmann en su honor:

Donde:

Ts es la temperatura de la superficie del cuerpo.

ε es el coeficiente de emisividad, propiedad del material que relaciona su capacidad de radiación térmica con la del cuerpo negro ideal.

σ es la constante de Stefan-Boltzmann,= 5.67 x 10-8 W/m2 ºK⁴

A es la superficie de emisión

Si tenemos presente que todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto, la expresión (3) se convierte en

Donde F ₁₋₂;es un módulo que pondera la relación geométrica de los dos cuerpos y sus coeficientes de emisividad.

En el proceso productivo del que hacíamos referencia al inicio de este escrito tendremos absolutamente implicados todos los procesos de transferencia de calor. El calor se transmitirá básicamente por convección en los intercambiadores, reactores y baterías de nuestra instalación, entre los fluidos caloportadores - fluido térmico, vapor, agua caliente - y los fluidos contenidos en dichos equipos.

El calor se generará a partir del combustible en una caldera con transferencia básicamente por radiación en su cámara de combustión y por convección en serpentines o tubos de humos. Finalmente en el cálculo para evitar pérdidas a través de las tuberías o de los equipos, deberemos considerar las características y espesor del aislamiento térmico, ya que la transferencia de calor entre la pared metálica de tubos o de intercambiadores y nuestro aislamiento se realiza por medio de conducción.

Hasta aquí una visión rápida de los procesos de transferencia de calor. La gran cantidad de aplicaciones y su complejidad y diversidad, hacen que las cuatro fórmulas mencionadas en este documento se deriven en centenares, para poder considerar cada particularidad y permiten para cada aplicación concreta disponer de criterios específicos y adecuados de diseño.

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La radiación es la transferencia de calor que se realiza a través de ondas electromagnéticas. Se podría catalogar como transporte molecular, ya que la energía es producida por el cambio en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivo y transportado por las ondas electromagnéticas o fotones.

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Sergio Galvan. (2013). Introduccion_Termofluidos. Fac. de Ingeniería Mecánica. UMSNH.

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Decanato de Investigación. (2005). TRANSFERENCIA DE CALOR. Universidad Nacional Experimental del Táchira. Venezuela.

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Las leyes de la Termodinámica tratan de la transferencia de energía pero solo se refieren a sistemas que están en equilibrio. Por ello, permiten determinar la cantidad de energía requerida para cambiar un sistema de un estado de equilibrio a otro pero no sirven para predecir la rapidez con que puedan producirse estos cambios. La transferencia de calor complementa la primera y la segunda ley, proporcionando los métodos de análisis que pueden utilizarse para predecir esta velocidad de transmisión. Ejemplo:

Calentamiento de una barra de acero colocada en agua caliente:

La Transferencia de Calor puede ser por conducción, convección y radiación.

Cuando en un medio sólido existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura. El calor transmitido por conducción por unidad de tiempo q
k es proporcional al gradiente de temperatura dT/dx multiplicado por el área A a través del cual se transfiere es decir

T: temperatura ; x: dirección del flujo de calor

Fig. 4.13 Representación del convenio del signo

El calor fluye en dirección perpendicular a la superficie. Si la conductividad térmica es uniforme, la integración de la ecuación queda como

Fig. 4.14 Sección transversal de una pared plana

Fig. 4.15 Conducción unidimensional a través de paredes planas en serie

sustituyendo 4.5 y 4.6 en 4.4

Fig. 4.16 Analogía eléctrica para paredes en paralelo

Fig. 4.17 Resistencia equivalente

En el primer caso la fuerza motriz procede de la diferencia de densidad en el fluido que resulta del contacto con una superficie a diferente temperatura y da lugar a fuerzas ascensionales. En el segundo caso una fuerza motriz exterior mueve un fluido sobre una superficie a una temperatura mayor o inferior que la del fluido. Para una u otra forma de transferencia de calor por convección, la cantidad de calor es

transferencia de calor por convección en la interfase líquido-sólido.

A área superficial en contacto con el fluido en m ²

T s Temperatura de la superficie , K

T f, ¥ Temperatura del fluido no perturbado lejos de la superficie transmisora del calor

Fig. 4.18 Analogía eléctrica para la convección

Por radiación la energía se transporta en forma de ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz. La radiación electromagnética que se considera aquí es la radiación térmica.

La cantidad de energía que abandona una superficie en forma de calor radiante depende de la temperatura absoluta y de la naturaleza de la superficie. Un radiador perfecto o cuerpo negro emite una cantidad de energía radiante de su superficie por unidad de tiempo q r dada por la ecuación

T
₁: Temperatura del cuerpo negro en Kelvin

T ₂: Temperatura superficial del recinto en Kelvin

El calor radiante neto transferido por unidad de tiempo por un cuerpo gris a la temperatura T ₁ a un cuerpo negro que le rodea a la temperatura T ₂ es

donde e ₁ es la emitancia de la superficie gris, igual a la relación entre la emisión de la superficie gris y la emisión de un radiador perfecto a la misma temperatura.

Si ninguno de los dos cuerpos es un radiador perfecto, pero poseen entre sí una determinada relación geométrica, el calor radiante neto transferido entre ellos viene dado por

donde F
₁₋₂ es un módulo que modifica la ecuación de los radiadores perfectos para tener en cuenta las emitancias y las geometrías relativas de los cuerpos reales.

2) Cantidad de energía generada en la unidad de tiempo y por unidad de volumen en el interior del volumen de control.

3) Aumento de la energía interna en la unidad de tiempo en el interior del volumen de control.

donde a es la difusividad térmica y se expresa como

En coordenadas cilíndricas: T=T(r, f ,z,t)

En coordenadas esféricas: T=T(r, q , f ,t)

Fig. 4.19 Calor por conducción en un cilindro hueco.

q,,,G es iguala cero

luego para las condiciones de frontera se tiene:

Una vez conocida la distribución de temperaturas, con la ley de Fourier en coordenadas cilíndricas, se determina la transferencia de calor

El denominador de esta ecuación corresponde a la resistencia térmica

Esta expresión se puede escribir como

Fig. 4.20. Calor por conducción en una esfera hueca

luego para las condiciones de frontera se tiene:

integrando nuevamente la ecuación 4.36

resolviendo para las condiciones de frontera, se tiene la siguiente expresión para la distribución de temperaturas

Una vez conocida la distribución de temperaturas con la ley de Fourier se determina la transferencia de calor

La evaluación del coeficiente de transferencia de calor h es bastante difícil puesto que por lo regular comprende fenómenos físicos muy complejos. Usando las técnicas del análisis dimensional puede demostrarse que los parámetros comprendidos en la transferencia de calor por convección natural pueden expresarse según

b : coeficiente de expansión

C
p : Calor específico a presión constante

(Tablas 1 , 2 , 3 ).

La tabla 1 se usa para determinar primero si el carácter del flujo es laminar o turbulento. Los datos necesarios para tener acceso a esta gráfica son D t y L (o D). Una vez determinado el carácter del flujo, se utilizan las tablas 2 y 3 para calcular el coeficiente de transferencia de calor por convección.

Las tablas ( 4 , 5 ):

Dan la viscosidad del agua y el aire y se usan para verificar el número de Reynolds y asegurar que el flujo es turbulento.

Las tablas ( 6 , 7 ):

Conducen al coeficiente de transferencia de calor básico h ₁ como función del flujo en peso W/1000, donde W está en libras por hora.

Es un factor de corrección para la variación del diámetro interior desde 1 pulgada. El coeficiente de transferencia de calor buscado h es entonces simplemente igual a F.h ₁

Un cuerpo negro se define como aquel que emite y absorbe la máxima cantidad de energía a una temperatura determinada.

Los cuerpos reales reflejan radiación térmica en la misma forma en que la absorben y la transmiten. Los metales muy pulidos son buenos reflectores de la radiación térmica.

Reflectividad: r Es la fracción de calor incidente sobre el cuerpo que se refleja.

Absortividad: a Es la fracción que se absorbe.

Transmisividad: t Es la fracción de energía incidente transmitida a través del cuerpo.

Emisividad: e Es la efectividad del cuerpo como un radiador térmico a una temperatura. Es la relación de la emisión de calor a una temperatura dada a la emisión de calor desde un cuerpo negro a la misma temperatura.

En las tablas: ( 9 , 10 , 11 , 12 , 13 )

se dan los valores requeridos de F e y F A para lo cual es necesario

conocer la emisividad de las superficies que intervienen.

Para los intercambiadores de calor, la ley de Newton del enfriamiento es

U : Coeficiente de transferencia de calor total

A : Superficie de transferencia de calor

D T m : Diferencia de temperatura media

Fig. 4.21 Intercambiadores de calor

Fig. 4.22 Otros intercambiadores de calor

El problema de calcular la transferencia de calor en los intercambiadores de calor, es que la temperatura de uno o ambos fluidos varía en forma continua a medida que los fluidos se transportan a través del intercambiador de calor. Esto puede observarse en la Figura 4.23, en la que se han trazado en forma gráfica las temperaturas del fluido como una función de la superficie de transferencia de calor para los casos mas comunes de flujo paralelo, contraflujo y para un fluido a temperatura constante. El subíndice h denota fluido caliente y el subíndice c, fluido frío. El subíndice 1 denota la temperatura a la entrada de un fluido al intercambiador de calor y 2 representa la temperatura del fluido a la salida del mismo. La dirección de flujo de cada fluido a través del intercambiador se muestra mediante flechas sobre las curvas de temperatura. La diferencia de temperatura mas grande entre los fluidos en la unidad (tanto a la entrada como a la salida) se designa como q q A, y la diferencia de temperatura menor entre los fluidos (tanto a la entrada como a la salida) se designa como B .

Fig. 4.23 Temperatura de los fluidos en diferentes intercambiadores de calor

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Las leyes de la Termodinámica tratan de la transferencia de energía pero solo se refieren a sistemas que están en equilibrio. Por ello, permiten determinar la cantidad de energía requerida para cambiar un sistema de un estado de equilibrio a otro pero no sirven para predecir la rapidez con que puedan producirse estos cambios.