TRANSFERENCIA DE CALOR EN CONFIGURACIONES COMUNES

TRANSFERENCIA DE CALOR EN CONFIGURACIONES COMUNES

Una importante clase de problemas de transferencia de calor para los cuales se obtienen soluciones sencillas abarca aquellos relacionados con dos superficies que se mantienen a las temperaturas constantes T1 y T2. La razón de transferencia de calor estacionaria entre estas dos superficies se expresa como.

Q=Sk(T1-T2)

Donde S es el factor de forma de conducción, el cual tiene la dimensión de longitud, y k es la conductividad térmica del medio entre las superficies. El factor de forma de conducción sólo depende de la configuración geométrica del sistema.

Factores de forma de conducción, S, para varias configuraciones con el fin de usarse en  para determinar la razón estacionaria de transferencia de calor a través de un medio de conductividad térmica k entre las superficies a las temperaturas T1 y T2

 LINK PARA PDF TRANSFERENCIA DE CALOR ENCONFIGURACIONES

AISLAMIENTO TERMICO

PDF COMPLETO DE AISLAMIENTO TERMICO

Aislamiento térmico

Es aislamiento térmico es el método donde se recubre una superficie con materiales aislantes con la finalidad de proporcionar resistencia al flujo de calor y reducir la transferencia del mismo. Con este proceso se busca minimizar las pérdidas de energía por transferencia de calor, proteger al equipo, al personal y al medio ambiente.

Materiales aislantes

Los materiales aislante se caracterizan por tener una baja conductividad térmica  (conductividad menor  a 0,1 W/m· K), debido a que son materiales que contienen cámaras llenas de gas, fase que posee baja conductividad térmica en comparación con la fase líquida o gas de materia y por ende, no favorecen la transferencia de calor por conducción.

Grueso óptimo del aislante

El grueso óptimo de un aislante se puede determinar por consideraciones puramente económicas. Si un tubo descubierto fuera a conducir un fluido caliente, habría cierta pérdida de calor por hora cuyo valor podría determinarse del costo de producir los Btu en la planta generadora. A menor pérdida de calor, mayor grueso del aislante y mayor costo inicial, y mayores cargos fijos anuales (mantenimiento y depreciación), los que deben añadirse a la pérdida anual de calor. Los cargos fijos en el aislante de la tubería serán de cerca de 15 a 20% del costo inicial del aislante instalado. Suponiendo cierto número de gruesos de aislante y sumando los cargos fijos al valor de la pérdida de calor, se obtendrá un costo mínimo y el grueso correspondiente a él será el grueso óptimo económico del aislante. 

Gráfica de costos en función del espesor del aislamiento

Principales materiales de aislamiento

Tipos De Aislantes Y Aplicaciones

Radio Crítico De Aislamiento

El aislamiento de tuberías aparentemente reduce las transferencias o pérdidas de calor por este conducto, pero realmente si se estudia detenidamente estos procesos se puede llegar a la conclusión de que en realidad no es así, lo que produce este aislamiento es que aumenta la transferencia térmica del tubo. Esto se debe a que al añadir el aislante se aumenta el radio, por ende aumenta la superficie de transferencia, también aumenta la resistencia a la conducción.

Conductividad térmica de los aislantes

La conductividad térmica de un material es una medida de la capacidad del material para conducir calor. Un valor elevado para la conductividad térmica indica que el material es un buen conductor del calor y un valor bajo indica que es un mal conductor o que es un aislante.

Rango de la conductividad térmica de diversos materiales a la temperatura ambiente.

Tipos de aislantes

Aplicaciones

Conductividad Térmica

NORMA Oficial Mexicana NOM-009-ENER-2014, Eficiencia energética en sistemas de aislamientos térmicos industriales.

Esta Norma Oficial Mexicana establece la eficiencia energética de los sistemas de aislamientos térmicos industriales, a través de la máxima densidad de flujo térmico permitida y el método de prueba para determinarla, en tuberías y equipos de los procesos industriales nuevos y ampliaciones y modificaciones de los existentes, que operen a altas y bajas temperaturas dentro de los intervalos establecidos, que se instalen en la República Mexicana, independientemente del sistema termoaislante utilizado en la tubería o equipo industrial.

Bibliografía:

 Transferencia De Calor, 2ª Edición, Yunus A. Çengel

 Transferencia De Calor 8ª Y 10ª Edición, J. P. Holman

 Procesos De Transferencia De Calor, 1ª Edición, Donald Q. Kern

 Norma Oficial Mexicana Nom-009-Ener-2014, Eficiencia Energética En Sistemas De Aislamientos Térmicos Industriales.

 Norma Oficial Mexicana Nom-009-Ener-1995, Eficiencia Energética En Aislamientos Térmicos Industriales. 

 Manual Del Ingeniero Químico 2007,7ª Edición, Perry R.H., Chilton C.H. Mcgraw-Hill.

 Fundamentos De Transferencia De Calor, 4ta Edición, Frank P. Incropera David P. 

RESUMEN CONDUCCIÓN DE CALOR TRANSITORIO

RESUMEN CONDUCCIÓN DE CALOR TRANSITORIO

Se inicia este capítulo con el análisis de los sistemas concentrados (también llamados los sistemas de parámetros concentrados o de resistencia interna despreciable), en los cuales la temperatura de un cuerpo varía con el tiempo, pero permanece uniforme en cualquier instante. 

En seguida, se considera la variación de la temperatura con el tiempo así como con la posición para problemas unidimensionales de conducción de calor, como los asociados con una pared plana grande, un cilindro largo, una esfera y un medio semiinfinito, usando diagramas de temperatura transitoria y soluciones analíticas. Cuando el análisis de sistemas concentrados no es aplicable,se puede determinar la variación de la temperatura con la posición así como con el tiempo por medio de los diagramas de temperatura* transitoria dados en las figuras 4-16, 4-17, 4-18 y 4-30, para una pared plana grande, un cilindro largo, una esfera y un medio semiinfinito, respectivamente.

*Véase Capitulo 4 Libro de Transferencia de Calor y Masa 4ta Edicion Yunus A. Cengel, Afshin J. Ghajar Páginas 240 a 242 

Por último, se considera la conducción del calor en estado transitorio en los sistemas multidimensionales por medio de la solución producto.

TRANSFERENCIA DE CALOR DESDE SUPERFICIES CON ALETAS

La razón de la transferencia de calor desde una superficie que está a una temperatura

Ts hacia el medio circundante que está a Too se expresa por la ley de Newton del enfriamiento

Cuadro de Transferencia de Calor desde Superficies con Aletas

ECUACIÓN GENERAL DE CONDUCCIÓN DE CALOR

DOC / MAPA de ECUACIÓN GENERAL DE CONDUCCIÓN DE CALOR

En la sección anterior se consideró la conducción unidimensional de calor y se  supuso  que  la conducción  en  otras  direcciones  era  despreciable.  La mayor parte de los problemas de transferencia de calor que se encuentran en la práctica se pueden aproximar como si fueran unidimensionales, y en este  texto  se tratará  principalmente  con  ese  tipo  de  problemas.  

Pero,  éste  no siempre  es el  caso  y  a  veces  se  necesita  considerar  la transferencia  de calor también en otras direcciones. En esos casos se dice que la conducción de  calor  es  multidimensional; en  esta  sección  se  desarrollará  la ecuación diferencial que rige tales sistemas, en coordenadas rectangulares, cilíndricas y esféricas.

RECOPILADO DEL LIBRO: Transferencia de Calor y Masa 4ta Edicion Yunus A. Cengel, Afshin J. Ghajar

CONDICIONES DE FRONTERA

CLICK

Mapa Conceptual / Documento de CONDICIONES DE FRONTERA

RECOPILADO DEL LIBRO: Transferencia de Calor y Masa 4ta Edicion Yunus A. Cengel, Afshin J. Ghajar

CONDICIONES DE FRONTERA E INICIALES

La solución de un problema de conducción de calor depende de las condiciones en las superficies, y las expresiones matemáticas para las condiciones térmicas en las fronteras se llaman condiciones de frontera

La descripción matemática completa de un problema de conducción de calor requiere la especificación de dos condiciones de frontera para cada dimensión a lo largo de la cual la conducción es significativa, y una condición inicial cuando el problema es transitorio.

Condición inicial

La solución de los problemas de conducción transitoria de calor también depende de la condición del medio al iniciarse el proceso de conducción. Esa condición que suele especificarse en el instante t=0

Las condiciones de frontera más comunes son las de temperatura específica, flujo especificado de calor, convección y radiación.

Para la transferencia unidimensional de calor en estado estacionario a través de una placa de espesor L, los diversos tipos de condiciones de frontera en las superficies en x=0 y x=L se pueden expresar como:

Temperatura específica:

T (0)=T1  y T (L)=T2

Donde T1 y T2 son las temperaturas especificadas en las superficies en x= 0 y x = L

Flujo específico de calor:

-k dT(0)/dx=q ̇_0 y -k dT(L)/dx=q ̇_L

Donde q ̇_0 y q ̇_L son los flujos específicos de calor en las superficies en x=0 y x=L.

Aislamiento o simetría térmica:

dT(0)/dx=0 y dT(L)/dx=0

  

Convección:

-k dT(0)/dx=h_1 [T_∞1-T(0)] y -k dT(L)/dx=h_2 [T(0)-T_∞2 ]

Donde h1 y h2 son los coeficientes de transferencia de calor por convección y T∞1 y T∞2 son las temperaturas en los medios circundantes en los dos lados de la placa.

Radiación:

-k dT(0)/dx=ε_1 σ[T_(alred,1)^4-〖T(0)〗^4 ] Y -k dT(L)/dx=ε_2 σ[〖T(L)〗^4-T_(alred,2)^4 ]

 Donde ε1y ε2 son las emisividades de las superficies frontera, σ=5.67x 10-8 W/m2*K4 es la constante de Stefan-Boltzmann y Talred, 1 y Talred, 2 son las temperaturas promedio en las superficies que rodean los dos lados de la placa. En los cálculos sobre radiación, las temperaturas deben estar en K o R. 

Interfase de dos cuerpos A y B en contacto perfecto X=X0 :

TA(x0)=TB(x0)   y    -k_A  (dT_A (x_0 ))/dx=-k_B  (dT_B (x_0 ))/dx

Donde kA y kB son las conductividades térmicas de las capas A y B.

Generación de Calor (ECUACIONES)

PDF de Generación de Calor

En este tema se deberá abrir el link de arriba...en el pdf están detallados los siguientes temas:

1. ¿Qué es GENERACIÓN DE CALOR?
2. ECUACIÓN DE LA CONDUCCIÓN DE CALOR EN UNA PARED PLANA GRANDE
3. ECUACIÓN DE LA CONDUCCIÓN DE CALOR EN UN CILINDRO LARGO
4. ECUACIÓN DE LA CONDUCCIÓN DE CALOR EN UNA ESFERA

En las ecuaciones también están recuadros con los casos de:

1. ESTADO ESTACIONARIO
2. RÉGIMEN ESTACIONARIO SIN GENERACIÓN DE CALOR
3. RÉGIMEN TRANSITORIO SIN GENERACIÓN DE CALOR

NOTA:

Debido a que es un tema largo donde se requiere ecuaciones,términos, símbolos, etc. lo mejor será que se descarguen el pdf que contienen los temas enumerados anteriormente.