Clase1
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Transferencia de calor
Andrés Arrieta
– Ing. Mecánico; Universidad Pontificia Bolivariana
– Estudiante de la maestría en ingeniería, Área Energética- Universidad de Antioquia.
– Trabajo de grado: Simulación Numérica de los fenómenos fluido-dinámicos, térmicos y cinético-químicos presentes en un horno de pirólisis.
Autor de la presentación: Prof. Francisco CadavidModificaciones: Andrés E Arrieta
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bibliografía1. F.P. INCROPERA y D.P. DEWITT. Fundamentos de transferencia de calor. Mexico : Prentice Hall, 1999
2. B. KARLEKAR y R. M. DESMOND. Transferencia de calor. 2 ed. Medellín : Nueva Editorial Interamericana, 1985.
3. F.V. KREITH y M.S. BOHN. Principios de transferencia de calor. 6 ed. Thomson Learning, 2001.
4. DONALD Q. KERN. Procesos de transferencia de calor, McGraw-Hill Interamericana, 1950.
5. J.P. HOLMAN Transferencia de calor. 08 ed. Espana : McGraw Hill, 1998.
6. Y.A. CENGEL. Heat Transfer: A practical aproach
7. N. OZISIK. Transferencia de calor. 01 ed. Bogota : McGraw-Hill Interamericana, 1979.
8. D.R. PITTS y L.E. SISSOM, Teoria y problemas de transferencia de calor. - 01.ED. Serie de Compendios Schaum. Bogotá : McGraw-Hill Interamericana, 1980
9. Journal of Heat Transfer, Transaction of the ASME http://scitation.aip.org/ASMEJournals/HeatTransfer
10. www.sciencedirect.com International Journal of Heat and Mass Transfer. Disponible en Biblioteca International Communications in Heat and Mass Transfer Fuel : Science and Technology of Fuel and Energy. Disponible en Biblioteca
11. http://pubs.acs.org/wls/journals/query/subscriberSearch.html Industrial & Engineering Chemistry Research “Ind.Eng.Chem.Res”. Disponible en Biblioteca Energy&Fuel Industrial and Engineering Chemistry, Product Research and Development (Washington)
“Ind.Eng.Chem.Prod.Res.Dev”. Disponible en Biblioteca
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• Cuatro exámenes ->25 %
Evaluación
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Objetivos del curso
• Comprender la física de los mecanismos de transferencia de calor
• Proponer herramientas para el manejo cuantitativo de los mecanismos de transferencia de calor
• Mostrar los campos de aplicación de la transferencia de calor
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• Definiciones, conceptos fundamentales
• Conducción de calor en estado estacionario (uni, bi y tridireccional)
• Conducción en estado transitorio
• Métodos numéricos para solución de problemas en conducción de calor
• Nociones de flujo de fluidos• Convección forzada
• Convección natural
• Intercambiadores de calor
• Radiación
Programa general
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Programa detallado
Ver pagina de la facultad de ingeniería
http://ingenieria.udea.edu.co/CURSOS/IMC-484.html
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Definiciones y conceptos fundamentales
• ¿Que es la transferencia de calor?
• ¿Cómo se transfiere el calor?
• ¿Por qué es importante su estudio?
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¿Qué y cómo?
• ¿Qué? La transferencia de calor es energía en transito debido a una diferencia de temperatura ->Siempre que exista diferencia de temperatura debe ocurrir una transferencia de calor
• ¿Cómo? Existen tres modos de transferencia de calor: – Conducción– Convección– Radiación térmica
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Conducción
• Gradiente de temperatura en un medio estacionario (sólido o fluido)
• El termino conducción se utiliza para referirse a la transferencia de calor a través del medio.
• La conducción es un proceso de actividad atómica y molecular que consiste en la transferencia de energía de las moléculas más energéticas a las menos energéticas.
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Conducción - ejemplos
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¿Cómo cuantificar el proceso de conducción del calor?
• Ley de Fourier– En el caso de una
pared plana unidimensional
dx
dTkqx "
= Flux de calor y se define como el flujo de calor por unidad de área (W/m2)k = Conductividad térmica (W/m K) constante de proporcionalidad que depende de material.
"xq
A
qx
x
TT
dx
dT
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x
Tkqx
"
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Convección
• Transferencia de calor entre una superficie sólida y un fluido en movimiento cuando están a diferente temperatura.
• Dos mecanismos: – Energía transferida por el movimiento molecular aleatorio
(Difusión)– Energía transferida por el movimiento global o macroscópico del
fluido en presencia de gradiente de temperatura.
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Procesos de transferencia de calor por convección
Convección forzada Convección natural
Condensation Ebullición
No
hay
cam
bio
de f
ase
Si h
ay c
ambi
o de
fas
e
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• Ley de enfriamiento Newton
• h: Coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m2 K)h depende de:
Condiciones en la capa límite; geometría de la superficie, rugosidad de la superficie, naturaza del movimiento del fluido (laminar o turbulento), propiedades termodinámicas y de transporte (densidad, viscosidad, conductividad, calor específico). El estudio de la convección se reduce al calculo de h
¿Cómo cuantificar el proceso de convección del calor?
TTcon )(" sTThq s
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Valores típicos de h
Proceso h
(W/ m2 K) Convección libre
Gases 2 - 25 Líquidos 50 - 1000
Convección forzada Gases 25 - 250 Líquidos 50 – 20 000
Convección con cambio de phase Ebullición o condensación 2 500 – 100 000
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Radiación térmica
• Energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura finita
• Transporte de energía por medio de ondas electromagnéticas
• La transmisión de la energía por radiación no requiere la presencia de un medio material. De hecho la transferencia de la radiación en el vacío es más eficaz
• La radiación también puede incidir sobre una superficie desde los alrededores, el sol por ejemplo Irradiación
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Espectro de la radiación electromagnética
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¿Cómo cuantificar la energía emitida por un cuerpo ?
• Ecuación de Stefan-Boltzman
– E: Potencia emisiva superficial. Velocidad a la que se libera la energía por unidad de área (W/m2). Eb es la energía máxima emitida por la superficie radiante.
– Ts: Temperatura absoluta de la superficie (K)
– : Constante de Stefan-Boltzman
• Flujo de calor emitido por una superficie real
4sTbE
428 K W/m1067,5
4sTE
:Propiedad de la superficie llamada Emisividad 10
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• Irradiación (G): Velocidad a la que la radiación incide sobre un área unitaria de la superficie.
• Si una parte o toda de la irradiación es absorbida por la superficie
La energía térmica del material aumenta
• Si el cuerpo es opaco parte de la irradiación se refleja. Si la superficie es semitransparente, parte de la irradiación se transmite (pasa a través del material)
¿Cómo cuantificar la energía que incide sobre una superficie desde sus
alrededores?
GGabs adAbsortivid:10
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Ejemplo Si se tiene un cuerpo pequeño a Ts y una
superficie isotérmica más grande que rodea por completo al cuerpo pequeño. Por ejemplo las paredes de un horno a Talr (Talr Ts). La irradiacion en este caso se aproxima a la emision de un cuerpo negro a Talr
Si además se supone que (superficie gris), la velocidad neta de transferencia de calor por radiación desde la superficie, expresada por unidad de área de la superficie es:
4Talr G
alrsr
alrssb
TTh
TTGTEA
" 44)(
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• Herramienta importante en los análisis de transferencia de calor, puesto que provee las bases para determinar la temperatura del sistema.
CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA (PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA)
• En un sistema abierto y para un Instante de Tiempo dado:
Fenómenos superficiales
: Tasa de transferencia de energía mecánica o térmica a través de una superficie de control (fronteras) debido a la transferencia de calor, al flujo de fluidos
outin EE y
Fenómenos volumétricos
: Tasa de generación de energía térmica debida a la conversión a partir de otra fuente de energía (eléctrica, nuclear o química); es un proceso de conversión que se da al interior del sistema.
gE
: Tasa de cambio de la energía almacenada en el sistemastE
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Conservación de la Energía en estado transitorio
Cada término tiene unidades de J/s o W.
Para un intervalo de tiempo dado
Cada término tiene unidades de J.
stst
goutin Edt
dEEEE
stgoutin EEEE