Transferencia de CalorConduccin de CalorLa conduccin de calor es una de los mecanismos bsicos para transporte de energa en equipos de procesos industriales. Pero su ejecucin se demanda operacionalmente una fuente de calor y un material sensible al cambio de temperatura (conductor de calor)Para mejor entendimiento de este mecanismo bsico a continuacin se indican 2 mecanismos que favorecen la transmisin de calor por conduccin: Mecanismo de la Interaccin Molecular:

Este mecanismo tiene lugar cuando una molcula cargada energticamente salta fsicamente de un nivel bajo a un alto de energa, en tales circunstancias la molcula ocasiona una emisin de energa o irradiacin de la misma hacia molculas adyacentes, en tal circunstancias las molculas transfieren calor por conduccin. El mecanismo de interaccin molecular es clsico en sistema que contienen molculas cuyo estado de presentacin puede ser el estado slido, lquido o gaseoso.

Grficamente se tiene:

InteraccinMolecularSalto de nivel (+) de energaIrradiacin de energa E1 E2 E3 E4Niveles de EnergaSistema en cualquiera de los 3 estados

Mecanismo de los electrones libres:

Este es otro mecanismo asociado a la conduccin de calor (Q) , en el presente caso la transmisin de energa se da en funcin de los electrones libres o tambin denominados electrones de valencia( configuracin electrnica asignada a un tomo) Los electrones asociados a un elemento metlico en estado puro tienen una gran tendencia a transferir electrones libres o electrones de valencia mediante un mecanismo que implica la emisin o absorcin de energa (calor) para formar una sustancia qumicamente combinable. La tendencia a transferir energa mediante el mecanismo de los electrones libres se da en su orden de mayor a menor elementos metlicos qumicamente puros, aleaciones metlicas y finalmente en elementos no metales qumicamente impuros.

Grficamente este mecanismo se representa:

1s 2s 2p 3sn=1 n=2 n=3Configuracin electrones

Na #11

n=# cuntico principal

n le da el nivel de energa externa

electrones libres=electrones valencia=1

Ecuacin inica neta Na0 (s) -1 evalNa+1(ion)Ecuacin de calor Na0 (s) -1 evalNa+1(ion) + E emisinE .calor conduccin

Elementos metales puros > aleaciones metales> elementos no metales impuros

Aleaciones metlicos es la mezcla de 20 + elementos metlicos aprovechando su diferencia en el punto de fusin

La conduccin de calor es un fenmeno fsico evidentemente molecular y la ecuacin de estado fue planteada por Fourier (1822) que establece lo siguiente

Ec.de Fourier para Conduccin

,

Dnde: q= rapidez de transferencia de Q por conduccin (BTU/h)A= es el rea de transmisin (ft2)(dT/dx)= gradiente de temperatura en funcin de la distancia (oF/ft)(q/A)= flujo de calor por conduccin (BTU/h.pie) Variacion lineal de la temperatura (oF)K= conductividad trmica de Q (BTU/h.ft.oF)

(Valor caracterstico para cada material en funcin de la T media de la instalacin)Conductividad Trmica (K)La conductividad trmica de los materiales es un valor caracterstico para cada uno de ellos en funcin de la T media de instalacin.

Para el desarrollo terico de la conduccin trmica asociado a los diferentes materiales ya sea slido, lquido y gaseoso, solo para el caso de los gases existe una ecuacin emprica la misma que ha sido desarrollada en base a un modelo matemtico sustentado en la teora cintica de los gases, cuya expresin es la siguiente:

3.1ec. de conductividad trmica para un gas

Dnde: d= dimetro de la molcula en estado gaseosoK= K universal para gasesT= T de la sustanciam= masa del gas

La ecuacin 3.1 funciona bien para gases de tipo monoatmico, la relacin de variables de esta misma ecuacin nos indica que la conductividad trmica de un gas es funcin directa de la raz de la temperatura, complementariamente es independiente de la presin.

De un lquido la conductividad trmica no est sujeta a la teora cintica de los gases, ya que no se ha explicado el comportamiento molecular en fase liquida.En la actualidad no hay un modelo matemtico universal (existen algunas relaciones empricas de aplicacin puntual)

Una generalizacin indica que: La conductividad trmica de lquidos varia ligeramente con la temperatura; y es independiente de la presin

Nota: Para la determinacin experimental de K de los lquidos, debe asegurarse que el lquido se encuentre libre de las corrientes de conveccin.

La K de los slidos, se atribuye a la interaccin molecular, pero principalmente a los electrones libres cuando se trata de metales puros.

La K del solido puede determinarse con gran exactitud ya que en fase solida no existen corrientes convectivas.

Nota: La K de slidos, lquidos y gases se encuentran disponibles en cartas de calibracin medidos a diferente temperatura (estn igualmente disponibles en bacos o manuales tcnicos).

Transferencia Convectiva

La transferencia de calor debido a la conveccin trmica se atribuye con el cambio de energa que ocurre entre una superficie slido y un fluido adyacente.Se distinguen 2 tipos para transferencia convectiva:

a) Conveccin natural: En la que un fluido ms caliente o ms frio que se encuentra prximo a la frontera solida ocasiona la circulacin a causa de la diferencia de densidades que resuelta por la variacin de temperatura en una regin del fluido.

b) Conveccin Forzada: Es aquella situacin en la cual se hace pasar un flujo de fluido por una superficie solida utilizando un medio externo (bomba, compresor, ventilador, etc.)

El Sr. Newton (1701) fue quien planteo la ecuacin de estado para la transferencia de calor convectivo, conocido tambin como la Ley de Enfriamiento de Newton, expresado de la siguiente manera:

Ley de Enfriamiento de Newton

Dnde:q= rapidez de transferencia de calor convectivo (BTU/h)h= coeficiente de conveccin (BTU/h.ft2.oF)A=rea o seccin de transferencia (ft2)= variacin de temperatura (oF)

En el anlisis de esta ecuacin se tiene:

h indica las caractersticas del flujo y fluido. h es la constante de proporcionalidad matemtica en la cual q es funcin directa del A y A nos da la geometra convencional del sistema.

Al hablar de la transferencia convectiva de calor se debe tomar en cuenta que las partculas de un flujo prximo a la frontera solida estn en reposo. Como este hecho es vlido, el mecanismo de transferencia de calor entre una superficie slido y un fluido debe incluir la conduccin a travs de las capas del fluido cercanas a la superficie, esta nos da origen a una pelcula de fluido.

Esquemticamente, la conduccin entre capas representa lo siguiente:

Estas molculas dan origen a una pelcula debido a la conduccin entre capas del fluidoReposoFluido de movimientoSuperficie (frontera solida)Molculas del flujo prximas a la frontera solidaFluido de transporte

Esta pelcula de fluido presenta a menudo resistencia a la transferencia de calor convectiva y al coeficiente de conveccin que en este caso se denomina coeficiente de pelcula.

A diferencia de la conveccin natural y forzada existen 2 tipos de transferencia de calor que pueden ser evaluadas mediante la Ley de Enfriamiento de Newton, estos representan los fenmenos fsicos de ebullicin y condensacin.

Los coeficientes de pelcula asociados a los fenmenos de ebullicin y condensacin tienen valores relativamente grandes.

Es importante distinguir entre los coeficientes de conveccin locales aplicados a un sitio puntual o una parte de un sistema convectiva y los coeficientes de conveccin totales aplicados a una rea o seccin de transferencia.

Si designamos por hx como el coeficiente de conveccin local se tiene:

Coeficiente de conveccin total

Radiacin trmica

La transferencia de calor por radiacin difiere de la conduccin y conveccin ya que no necesita de un medio para su propagacin, con este antecedente la transferencia de calor radiante es mxima cuando las 2 superficies intercambiadores estn separadas por un vaco perfecto.

El mecanismo de calor por radiacin no ha quedado totalmente definido ya que existen autores que han seguido una tendencia a respaldar la conduccin por conduccin por radiacin en que otro grupo de autores explican la radiacin trmica a travs de la teora cuntica o corpuscular (M. Planck)

Sin embargo, es notable que este proceso complejo pueda describirse por medio de una expresin sencilla.

La rapidez de emisin de energa desde un radiador prefecto o cuerpo negro, puede definirse por medio de la Ley de Steffan - Boltman a travs de la relacin siguiente:

Ley de Steffan-Bolfman para la radiacin trmica

Dnde:

q= rapidez de transferencia de calor radiante (BTU/h)=constante de Steffan-BoltmanA= rea o seccin de transmisin (ft2)T= temperatura absoluta del sistema (oK)

Una modificacin a la ley de Stefan-Boltman puede ser utilizada en aplicaciones como:1) Para medir la transferencia neta de energa entre 2 superficies2) Para medir el grado de desviacin entre 2 superficies, una emisora y otra receptora