Los ciclos de potencia de gas (página 2)

10. Refrigeración

En el sentido técnico, refrigeración significa mantener un sistema a temperatura menor que la d sus alrededores. Esto no puede suceder de forma natural, de modo que debe emplearse un dispositivo que permita lograr lo anterior. Existen varios sistemas de refrigeración que se utilizan en la práctica para llevar a cabo tal función; como el sistema de licuación y licuefacción a baja temperatura de Linde y hampson. Refrigeración es el proceso por el que se reduce la temperatura de un espacio determinado y se mantiene esta temperatura baja con el fin, por ejemplo, de enfriar alimentos, conservar determinadas sustancias o conseguir un ambiente agradable. El almacenamiento refrigerado de alimentos perecederos, pieles, productos farmacéuticos y otros se conoce como almacenamiento en frío. La refrigeración evita el crecimiento de bacterias e impide algunas reacciones químicas no deseadas que pueden tener lugar temperatura ambiente. El uso de hielo de origen natural o artificial como refrigerante estaba muy extendido hasta poco antes de la I Guerra Mundial, cuando aparecieron los refrigeradores mecánicos y eléctricos. La eficacia del hielo como refrigerante es debida a que tiene una temperatura de fusión de 0 °C y para fundirse tiene que absorber una cantidad de calor equivalente a 333,1 kJ/kg. La presencia de una sal en el hielo reduce en varios grados el punto de fusión del mismo. Los alimentos que se mantienen a esta temperatura o ligeramente por encima de ella pueden conservarse durante más tiempo. El dióxido de carbono sólido, conocido como hielo seco o nieve carbónica, también se usa como refrigerante. A la presión atmosférica normal no tiene fase líquida, y sublima directamente de la fase sólida a la gaseosa a una temperatura de -78,5 °C. La nieve carbónica es eficaz para conservar productos a bajas temperaturas mientras dura su sublimación. En la refrigeración mecánica se obtiene un enfriamiento constante mediante la circulación de un refrigerante en un circuito cerrado, donde se evapora y se vuelve a condensar en un ciclo continuo. Si no existen pérdidas, el refrigerante sirve para toda la vida útil del sistema. Todo lo que se necesita para mantener el enfriamiento es un suministro continuo de energía y un método para disipar el calor. Los dos tipos principales de sistemas mecánicos de refrigeración son el sistema de compresión, empleado en los refrigeradores domésticos grandes y en la mayoría de los aparatos de aire acondicionado, y el sistema de absorción, que en la actualidad se usa sobre todo en los acondicionadores de aire por calor, aunque en el pasado también se empleaba en refrigeradores domésticos por calor.

Sistemas de refrigeración Se puede efectuar la refrigeración por comprensión y por absorción. El sistema de refrigeración que más se emplea es el de comprensión. En las máquinas de este tipo constituye la parte central del sistema la bomba o compresor, que recibe vapor a baja presión y lo comprime. Con esta operación se elevan considerablemente la presión y la temperatura del vapor. Luego, este vapor comprimido y calentado fluye por el tubo de salida hasyte el condensador o permutador térmico, donde el vapor cede su calor al agua o aire frío que rodea al condensador. En esta forma su temperatura desciende hasta el punto de condensación, y se convierte en líquido con la correspondiente liberación de calor que ocurre en estos casos. El agente frigorífico, en estado líquido, pasa del condensador hasta un receptáculo y de allí fluye por un conducto o válvula, o el tubo reductor, disminuye la presión del líquido a medida que fluye dentro del vaporizador para enfriarlo. Este vaporizador se haya en el espacio que desea refrigerar. El aire tibio de este recinto le transmite, por contacto, al vaporizador parte de su calor, y hace que el líquido se evapore. Como se ve este nuevo cambio de estado, de líquido a vapor, se efectúa aumentando la temperatura. A continuación, aspira el compresor, por el tubo de succión, el vapor caliente del evaporador, y, después de volverlo a comprimir, lo impulsa al condensador, como se explicó anteriormente. Se repite así el proceso en ciclos continuos. En las grandes instalaciones refrigeradoras se utiliza generalmente amoníaco como agente frigorífico, mientras que en los refrigeradores domésticos se emplea anhídrido sulfuroso, cloruro de metilo y freón. Desde que se comenzó a refrigerar mediante sistemas mecánicos se ha aumentado constantemente el número de agentes frigoríficos, lo cual se debe a las investigaciones efectuadas por los químicos en su afán de hallar nuevas sustancias con características apropiadas para responder a las necesidades planteadas por los nuevos usos y tipos de instalaciones. Los refrigerantes sintéticos conocidos con el nombre de freones, constituyen un buen ejemplo del resultado alcanzado gracias a las investigaciones científicas. En el sistema de absorción se consigue el enfriamiento mediante la energía térmica de una llama de gas, de resistencias eléctricas, o de la condensación del vapor de agua a baja presión. La instalación tiene una serie de tubos de diversos diámetros, dispuestos en circuito cerrado, los cuales están llenos de amoniaco y agua. El amoniaco gaseoso que hay en la instalación se disuelve fácilmente en el agua, formando una fuerte solución de amoniaco. Al calentarse ésta en la llama de gas, o por otro medio, se consigue que el amoniaco se desprenda en forma de gas caliente, lo cual aumenta la presión cuando este gas se enfría en el condensador, bajo la acción de agua o aire frío, se produce la condensación y se convierte en amoniaco líquido. Fluye así por una válvula dentro de evaporador, donde enfría el aire circundante absorbiendo el calor de éste, lo cual produce nuevamente su evaporación. A continuación, entra el amoniaco, en estado gaseoso, en contacto con el agua, en la cual se disuelve. Esta fuerte solución de amoníaco retorna, impulsada por la bomba, al gasificador o hervidor, donde la llama de gas se calienta. Entonces vuelve a repetirse el ciclo. Tanto el sistema de enfriamiento por absorción como el de compresión, están basados en los cambios de estado del agente frigorífico. Ambos sistemas tienen condensador, vaporizador y el medio adecuado para crear la presión necesaria que motive la condensación, tal como un compresor o una fuente que produzca calor.

Ciclo Inverso De Carnot (Ciclo Frigorífico) Éste utiliza un sistema del tipo de compresión mecánica de un vapor. El índice de eficacia de un sistema de refrigeración no es una eficiencia, sino la relación conocida como coeficiente de funcionamiento(COP), que se define como el calor suministrado dividido entre el trabajo neto realizado: COP= Qent./Wnet. Como el ciclo de Carnot es el mejor u óptimo posible, el COP (o CF) correspondiente a tal ciclo suele utilizarse como base de comparación de los valores de COP obtenidos en otros ciclos.

Refrigerantes Para cada refrigerante existe una temperatura específica de vaporización asociada con cada presión, por lo que basta controlar la presión del evaporador para obtener la temperatura deseada. En el condensador existe una relación similar entre la presión y la temperatura. Durante muchos años, uno de los refrigerantes más utilizados fue el diclorodifluorometano, conocido como refrigerante-12. Este compuesto clorofluorocarbonado (CFC) sintético se transformaba en vapor a -6,7 °C a una presión de 246,2 kPa (kilopascales), y después de comprimirse a 909,2 kPa se condensaba a 37,8 °C. En los refrigeradores pequeños empleados en las viviendas para almacenar comida, el calor del condensador se disipa a la habitación donde se sitúa. En los acondicionadores de aire, el calor del condensador debe disiparse al exterior o directamente al agua de refrigeración. En un sistema doméstico de refrigeración, el evaporador siempre se sitúa en un espacio aislado térmicamente. A veces, este espacio constituye todo el refrigerador. El compresor suele tener una capacidad excesiva, de forma que si funcionara continuamente produciría temperaturas más bajas de las deseadas. Para mantener el refrigerador a la temperatura adecuada, el motor que impulsa el compresor está controlado por un termostato o regulador. Los congeladores para alimentos ultracongelados son similares a los anteriores, sólo que su compresor y motor tienen que tener la potencia y tamaño suficientes para manejar un mayor volumen de refrigerante con una presión menor en el evaporador. Por ejemplo, para mantener una temperatura de -23,3 °C con refrigerante-12 se necesitaría una presión de 132,3 kPa en el evaporador. El refrigerante-12 y otros dos CFC, el refrigerante-11 y el refrigerante-22, eran los principales compuestos empleados en los sistemas de enfriamiento y aislamiento de los refrigeradores domésticos. Sin embargo, se ha descubierto que los CFC suponen una grave amenaza para el medio ambiente del planeta por su papel en la destrucción de la capa de ozono. Según el Protocolo de Montreal, la fabricación de CFC debía finalizar al final de 1995. Los hidroclorofluorocarbonos, HCFC, y el metilbromuro no dañan la capa de ozono pero producen gases de efecto invernadero. Los HCFC se retirarán en el 2015 y el consumo de metilbromuro se limitará en un 25% en 1998. La industria de la refrigeración debería adoptar rápidamente otros compuestos alternativos no perjudiciales, como el metilcloroformo.

Consideraciones Relativas Al Refrigerante La siguiente cuestión es importante para saber que tipo de sustancia debemos utilizar en el sistema de refrigeración. Hay muchas opciones como la tabla 1, pero es deseable tener una presión de entrada al compresor que sea igual o mayor que la atmosférica, de modo que el aire no se infiltre en el sistema de refrigeración.

Grupo de seguridad 1: toxicidad despreciable. Grupo de seguridad 2: Tóxico, flamable, o ambas cosas

Frigorífico Por Compresión De Vapor Existen algunas desventajas del sistema que acabamos de mencionar. Primero, los compresores de movimiento alternativo no deben operar con una mezcla de líquido y vapor más saturados, puesto que el aceite lubricante del cilindro puede ser arrastrado o barrido durante el proceso de compresión. Segunda, el trabajo realizado en el expansor resultaría muy pequeño comparado con el que tiene lugar en el compresor. En cambio este tipo de refrigeración resuelve estos problemas, en dos modos. Primero, el proceso de expansión en un proceso de estrangulación irreversible para la cuál solo se necesita una válvula adecuada y segundo, el refrigerante recibe calor hasta convertirse en vapor saturado. El primer modo de refrigeración que utilizó el ser humano fue el contacto con trozos de hielo. Una vez que desarrolló medios más elaborados para producir su efecto frigorífico, expresó su capacidad en términos de una unidad accesible derivada del efecto de fusión del hielo. El "calor latente de fusión" del hielo vale 334.9 KJ/Kg, que es el valor usual. En la práctica se utiliza el efecto frigorífico producido por una tonelada inglesa de hielo, es decir 907.18kg, por tanto el efecto es 3.0384 x 105 KJ.

Sistemas Frigoríficos Por Compresión De Vapor En Cascada En este caso, en vez de tener un escalonamiento como en los pasos de un compresor, todo el sistema se hace funcionar en etapas o cascada. Esto permite la obtención de temperaturas menores para la refrigeración, con una cantidad fija de trabajo de compresión. La presión óptima entre etapas es pi, que equivale a pi = (phpl)1/2 donde ph es la presión máxima y pl es la presión mínima.

Sistemas Frigoríficos Por Absorción De Vapor El mayor gasto operativo de los sistemas de refrigeración por compresión de vapor se debe a que el trabajo (el 100% de la energía disponible) es empleado para transferir calor desde una cierta temperatura hasta otra mayor, No obstante, el trabajo se transforma en calor y es cedido por el sistema en el condensador. Para corregir este uso de la energía disponible, podemos utilizar la propiedad de absorción de gases por parte de ciertos líquidos aprovechando para transmitir calor desde una cierta temperatura hasta otra más alta. En el proceso de absorción se observa una reacción química de liberación de calor (exotérmica). Como el vapor se condensa en otro fluido la entalpía de dicho vapor así como el calor de la reacción tienen que ser extraídos. Existen varios tipos de sistemas de refrigeración por absorción de vapor, entre ellos el de amoníaco y agua, el de agua y bromuro de litio y el de agua y cloruro de litio. Aquí veremos el de agua y amoniaco. Los otros dos utilizan el agua como refrigerante, lo cuál resulta muy práctico en el acondicionamiento de aire donde no se necesita una temperatura menor de 0°C sin embargo, el sistema de amoniaco y agua es capaz de proporcionar temperaturas debajo de 0°C y alcanzar temperaturas tan bajas como las del sistema por compresión de vapor de amoniaco. En este caso, el amoniaco es el refrigerante(R) y el agua es el portador (P). El vapor de amoniaco es absorbido por el agua en estado líquido.

Bomba Térmica (Convertidor Térmico) La llamada bomba térmica (o sistema de bombeo de calor) es un convertidor térmico reversible. Puede emplearse para calefacción doméstica en invierno y para acondicionamiento de aire fresco durante el verano. Básicamente se trata de un sistema frigorífico por compresión de vapor provisto de una combinación de fuente y resumidero de calor que se instala en el exterior, y funciona como la primera o el segundo según el clima imperante. El compresor está diseñado de acuerdo con la mayor demanda (calentamiento o enfriamiento). En invierno se empleará para calefacción el calor cedido en el condensador. Por lo general, se utilizan sistemas de calefacción con aire caliente junto con los convertidores reversibles. El condensador enfriado por aire ambiente es así el calefactor doméstico. El evaporador, o sea, el absorbedor de calor que interviene en un sistema de refrigeración, se coloca en el exterior de la casa. El serpentín del evaporador puede colocarse en un pozo de agua o en una pila o estanque, en caso de ser posible; de lo contrario se instalará simplemente expuesto al aire. El coeficiente de funcionamiento que corresponde a esta modalidad de operación (calefacción = heating) es: COPh = efecto deseado/suministro = qsal/Wnet = h3-h4/h3-h2 En verano el evaporador se colocará dentro de la casa y el condensador fuera. El calor generado o existente en las habitaciones será absorbido por el evaporador; luego el refrigerante será comprimido y enfriado posteriormente. El condensador también puede colocarse en un estanque o en un pozo de agua; si no fuera posible el equipo de condensación será enfriado por el aire exterior. Es obvio que con algunos tubos adicionales y un par de válvula, el condensador y el evaporador podrían invertir sus funciones, sin cambio de lugar, dependiendo del efecto deseado. El coeficiente de funcionamiento que corresponde a esta modalidad de operación (refrigeración = cooling) es: COPc = efecto deseado/suministro = qentr/ Wnet = h2-h1/h3-h2 La capacidad de un convertidor térmico, la potencia del motor del compresor, así como la cantidad de refrigerante deben evaluarse considerando ambas modalidades de operación. La de mayor demanda determinará la capacidad del sistema. Debido a la mayor capacidad necesaria en la calefacción, el empleo de una bomba térmica se aprovecha primordialmente en las regiones donde la temperatura invernal no es demasiado baja. La demanda de acondicionamiento de aire permanente (o sea para todo el año) ha intensificado en algunos países de los sistemas de bombeo térmico, aún en regiones con muy bajas temperaturas invernales. Otra razón de ello es que el costo del combustible se ha elevado hasta un punto tal, que la bomba térmica resulta ahora competitiva, desde el punto de vista económica, con los aparatos de combustión para calefacción doméstica.

Criogenia Y Licuefacción De Gases Los procesos de refrigeración que tienen por objeto la producción de temperaturas muy bajas reciben el nombre de criogénicos. El límite exacto a partir del cual se considera una temperatura como criogénica no se encuentra rigurosamente definido; sin embargo, diversas autoridades establecen que temperaturas entre 173°K y 123°K pueden denominarse criogénicas. Para obtener tales temperaturas se utilizan sistemas frigoríficos en cascada, como las analizadas anteriormente. En el sistema en cascada se emplean distintos refrigerantes en cada etapa, de manera que la temperatura del evaporador en el paso de temperatura más baja será la adecuada al propósito deseado; por ejemplo para la licuación o licuefacción de un gas. Se usan distintos refrigerante, y la presión a la entrada del compresor se mantiene siempre arriba de la presión atmosférica; esto evita la infiltración del aire externo y significa también que el volumen específico en la entrada no será suficientemente grande que ocasione un aumento importante en el trabajo necesario para llevar acabo la compresión. Los gases se encuentran muy sobrecalentados, lo cuál explica porque podemos utilizar la ecuación de estado del gas ideal. Un fenómeno termodinámico importante, el efecto de Joule y Thompson se emplea con frecuencia en operaciones criogénicas o de licuefacción de gases. Un proceso de estrangulación no produce cambio de entalpía y por tanto, en el caso de un gas ideal, la temperatura permanece constante: h = u + pv = cvT + RT Sin embargo, en los gases reales el proceso de estrangulamiento produce un cambio de temperatura, ascendente o descendente. El coeficiente de Joule-Thompson, µ, se define como: µ =(d T/d p)h Un valor positivo de µ indica que la temperatura disminuye conforme desciende la presión, y de esta manera se observa un efecto de enfriamiento. Esto es válido para casi todos los gases a presiones y temperaturas ordinarias. Las excepciones las constituyen el hidrógeno, el helio y el neón, los cuales presentan un incremento de temperatura con una disminución de presión, por lo cual µ < 0. Aun para estos gases existe una temperatura arriba de la cual el coeficiente de Joule-Thompson cambia de negativo a positivo. Tal valor se conoce como temperatura de inversión, y ésta se tiene que µ = 0.

Refrigeración del motor La refrigeración del motor; que tiene por objeto mantener dentro de los límites de seguridad la temperatura de sus órganos. El refrigerante más empleado es el agua, y el sistema de refrigeración utilizado es el de la circulación forzada mediante bomba. La refrigeración por aire es mucho más simple; consiste en hacer circular una corriente de aire entre los cilindros, que van provistos de aletas para aumentar la superficie de refrigeración.

11. Transferencia de calor.

Principios fundamentales Siempre que existe una diferencia de temperatura en el universo, la energía se transfiere de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura. De acuerdo con los conceptos de la termodinámica, esta energía transmitida se denomina calor. Las leyes de la termodinámica tratan de la transferencia de energía, pero siempre se refieren a sistemas que están en equilibrio, y solo pueden utilizarse para predecir la cantidad de energía requerida para cambiar un sistema de un estado de equilibrio a otro, por lo que no sirven para predecir la rapidez con que puedan producirse estos cambios. La ciencia llamada transmisión o transferencia de calor complementa los principios primero y segundo de la termodinámica clásica, proporcionando los métodos de análisis que pueden utilizarse para predecir la velocidad de la transmisión del calor, además de los parámetros variables durante el proceso en función del tiempo. Para un análisis completo de la transferencia del calor es necesario considerar mecanismos fundamentales de transmisión: conducción, convección y radiación, además del mecanismo de acumulación. El análisis de los sistemas y modelos de intercambio de calor requieren familiaridad con cada uno de estos mecanismos y sus fundamentos, así como de sus interacciones. En este capítulo se consideran los principios básicos de la transmisión del calor y algunas aplicaciones simples, para tratar a continuación con detalle los casos particulares y sus modelos de análisis específicos, relacionados con situaciones reales de cerramientos de edificios. Tal como se expuso en la introducción general, no serán objeto de este estudio los casos de transmisión de calor relacionados con la transferencia de masa, tales como la permeabilidad al aire de los cerramientos y las condensaciones, ni los casos de existencia de fuentes o sumideros de calor en el interior de los cerramientos diferentes a la simple acumulación. El calor puede transmitirse de tres maneras. Puesto que el calor es la energía de la actividad molecular, una forma simple de transferencia del mismo, denominada conducción, será la comunicación directa de la energía molecular a través de una sustancia por medio de colisiones entre sus moléculas. Los metales contienen electrones "libres", que hacen de ellos buenos conductores de la electricidad; estos electrones contribuyen también poderosamente a la conducción del calor, por esto, los metales son magníficos conductores térmicos; Convección es una forma de transmisión del calor de un lugar a otro por movimiento de la materia caliente. Otro tipo de transferencia de calor puede ser por combinación de radiación y absorción. En la radiación, la energía térmica se transforma en energía radiante, similar en su naturaleza a la luz. En realidad, una parte de esta radiación es luminosa. En esta forma, la energía radiante puede atravesar distancias enormes antes de ser absorbida por un cuerpo y transformada de nuevo en calor. Por ejemplo, la energía radiante procedente del sol se convierte en calor en la superficie de la Tierra ocho minutos después de su salida.

Conducción La cantidad de calor que fluye a través de un cuerpo por conducción depende del tiempo, del área a través de la cual fluye, del gradiente de temperatura y de la clase de material. La conducción es el estar en circulación, la conducción se encuentra normalmente en combinación con la convección. Por consiguiente, la conducción pura tiene lugar funda-mentalmente en los sólidos opacos, en donde el movimiento de masa se encuentra impedido. Considérese un experimento, que consiste en una barra uniforme de sección A perfectamente aislada sobre todos los lados excepto en los extremos; es decir, el calor sólo puede fluir en la dirección x. Cuando un extremo de la barra se mantiene a ti y el otro a t2, se transferirán de manera continua Q Btu/hr de la estación CD a la estación @. Si el área de la sección de la barra se duplica mientras se mantienen constantes las demás condiciones, se encontrará que ahora se transfiere 2Q. En otras palabras, el ritmo al que se transfiere calor es directamente proporcional al área de la sección de la barra en la dirección normal ala dirección del flujo e calor. Regresando a la barra original, se hace ahora que la diferencia de temperatura (tl –tJ) sea el doble de su valor original, y de nuevo se encuentra que el ritmo con que se transfiere calor es 2Q; en consecuencia, se concluye que el ritmo con que se transfiere calor es directamente proporcional ala diferencia de temperaturas entre los extremos de la barra. Por último, regresando a las condiciones originales, se hace ahora la barra del doble de largo (2L), y en esta ocasión se encuentra que sólo se transfiere la mitad de la cantidad de calor, lo que lleva a la conclusión de que el ritmo de transferencia de calor es inversamente proporcional a la longitud de la barra. Si se combinan estos hechos en un enunciado matemático, se tiene Q µ A(t1 – t2) L O bien: Q = -k A(t1 – t2) L Donde la constante de proporcionalidad, k, es una propiedad del material llamada conductividad térmica. El signo negativo se introdujo en la ecuación para indicar un flujo de calor positivo en la dirección en que se incrementa x, que es la dirección en la que decrece la temperatura. La conductividad, k, por lo regular se encuentra como función de la temperatura, pero para temperaturas moderadas y diferencias moderadas de temperatura puede considerarse como una constante. Si ahora se rescribe la ecuación en términos más generales para una conducción en una sola dimensión, se tiene Q = -k AD tD x La ecuación se llama ley de Fourier de la conducción del calor en una dimensión, en honor al físico francés Joseph Fourier. En esta ecuación el ritmo con que se transfiere calor, Q, se e?<:presa en las unidades inglesas de ingeniería usuales como Btu/hr, el área normal A en pies cuadrados, la diferencia de temperatura Al en oF y la longitud Ax en pies, lo que da k en unidades de Btu/(hr)(ft2)(OF /ft). Esta unidad de k a menudo se escribe como Btu/(hr-ft °F). La nomenclatura de la ecuación se muestra en la figura 9.3. En la tabla9.1 se proporcionan las conductividades térmicas de algunos sólidos a la temperatura ambiente, y en la figura 9.4 se muestra la variación de la conductividad térmica como función de la temperatura para muchos materiales. En unidades SI, k tiene unidades de W/m.oC ó J/s.m.oC. Los desarrollos anteriores se basan en los eventos observables en un experimento hipotético. La conducción del calor también puede suponerse como el efecto de la transferencia de energía por medio de moléculas más activas a una temperatura más elevada chocando con moléculas menos activas a una temperatura más baja. Los gases tienen espacios moleculares más grandes que los líquidos y muestran regularmente conductividades térmicas menores que los líquidos. Debido a la compleja estructura de los sólidos, algunos tienen valores grandes de k mientras que otros tienen valores bajos de k. Sin embargo, para los metales cristalinos que son buenos conductores eléctricos, existe un gran número de electrones libres en la estructura reticular que los hace también buenos conductores térmicos. La ecuación de Fourier tiene una analogía directa con la ley de Ohm para los circuitos eléctricos. Esto puede observarse rescribiendo la ecuación en la siguiente forma: Q = D t RtDonde Rt = D x/kA y se denomina resistencia térmica. La ley de Ohm para una resistencia de corriente directa puede expresarse como:i = D E RtDonde D E es la diferencia de potencial (en volts), Rt la resistencia eléctrica ( en ohms)e i es la corriente (en amperes). Una comparación de la ley de Ohm y la ecuación de Fourier muestra que Q es análoga a i , D t a D E y Rt.

Existen grandes diferencias de conductividad térmica para distintos materiales. Los gases tienen una conductividad muy pequeña. Igualmente, los líquidos son en general malos conductores. En el caso de los sólidos, la conductividad térmica varía de una forma extraordinaria, desde valores bajísimos, como en el caso de las fibras de amianto, hasta valores muy altos para l caso de los metales. Los materiales fibrosos, como el fieltro o el amianto, son muy malos conductores (buenos aislantes) cuando están secos ; si se humedecen, conducen el calor bastante bien. Una de las dificultades para el uso de estos materiales como aisladores es el mantenerlos secos. La conductividad térmica es una propiedad física de cada sustancia, y puede variar ligeramente en función de la temperatura y de las características particulares del material, como puede ser el contenido de humedad de los materiales constructivos. En los casos que el material no sea homogéneo, como las fábricas de ladrillo, o que su estructura sea anisótropa, como es el caso de la madera, será preciso determinar la conductividad para la dirección del flujo considerado.

Convección La transferencia de calor por convección de un cuerpo comprende el movimiento de un fluido en relación con el cuerpo. Si el movimiento es provocado por las diferencias de densidad debidas a la diferencia de temperatura en las diferentes localidades del fluido, se conoce como convección natural. Si el movimiento del fluido es provocado por un agente externo como un ventilador, se denomina convección forzada. La transferencia de calor desde una superficie cuya temperatura es mayor que la del fluido de los alrededores ocurre de un modo complejo. No obstante, es posible imaginarla como si ocurriera en el siguiente orde. Primero, las partículas del fluido adyacente a las paredes se calientan por conducción desde la pared, lo que incrementa sus temperaturas. Estas partículas "calientes" chocarán con partículas frías, proporcionándoles parte de su energía. Esta acción ocurrirá debido tanto al movimiento de las partículas como al movimiento del fluido más caliente en relación con el fluido más frío. Para distinguir los tipos de mecanismos de transferencia de calor convectivos, es necesario analizar en forma breve el mecanismo de flujo. El término flujo laminar ( o aerodinámico) se aplica a un régimen de flujo en el que el flujo es suave y el fluido se mueve en estratos o trayectorias paralelas entre sí. Cuando un fluido se mueve en un flujo laminar sobre una superficie más caliente, se transfiere calor principalmente por medio de la conducción molecular dentro del fluido y desde un estrato hasta otro. Este tipo de transferencia de calor por convección conduce a ritmos de transferencia de calor bajos. En contraste con el flujo laminar existe el régimen de flujo conocido como flujo turbulento. Como su nombre lo indica, este tipo de flujo se caracteriza por corrientes que provocan la mezcla de los estratos de fluido hasta que estos estratos se hacen indistinguibles. La mezcla del fluido debido a esta turbulencia hace que se incremente la transferencia de calor, y por tanto mientras mayor sea la turbulencia, mayor será el ritmo de transferencia de calor. La ecuación básica para la transferencia de calor por convección se conoce como ley de Newton de enfriamiento y está dada por Q = hA(D t) Q= flujo de transferencia de calor (Btu/hr) A = área de transferencia de calor (ft2)D t = diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido fuera de la superficie (°F). h = el coeficiente de transferencia de calor, coeficiente de película, conducatancia convectiva térmica o factor de transferencia de calor de película (Btu/hr× ft2× °F) Por comparación de las dos ecuaciones, puede escribirse la resistencia térmica para la transferencia de calor por convección, Rc, Rc = 1 . hA

La transferencia de calor por corrientes de convección en un líquido o en un gas, está asociada con cambios de presión, debidos comúnmente a cambios locales de densidad. Un aumento de temperatura en un fluido va acompañado por un descenso de su densidad. Si aplicamos calor en la base de un recipiente, el fluido, menos denso en esta parte debido al calentamiento, será continuamente desplazado por el fluido más denso de la parte superior. Este movimiento que acompaña a la transmisión del calor se denomina convección libre. Ejemplos clásicos de convección son : el movimiento del viento sobre la tierra, la circulación del aguan en un sistema de calefacción doméstico. Algunas veces las diferencias de presión se producen mecánicamente mediante una bomba o un ventilador ; en tal caso, se dice que la conducción del calor ocurre por convección forzada. En ambos casos, el calor pasa hacia dentro o fuera de la corriente a lo largo del recorrido. El método de las corrientes de convección es uno de los más eficaces de transferencia de calor y debe tenerse en cuenta cuando se diseñe o construya un sistema de aislamiento. Si se dejan en una casa grandes espacios sin paredes, se forman muy fácilmente corrientes de convección, produciéndose pérdidas de calor. Sin embargo, silos espacios se rompen en pequeños recintos, no son posibles las corrientes de convección y las pérdidas de calor por este método son muy pequeñas. Por esta razón, los materiales aislantes usados en las paredes de refrigeradores o en las de las casas son poroso: viruta de corcho, corcho prensado, lana de vidrio u otros materiales similares. Estos, no solamente son malos conductores por sí mismos, sino que dejan además pequeños espacios de aire, que son muy malos conductores y, al mismo tiempo, lo suficientemente pequeños para que no se produzcan corrientes de convección.

El mecanismo de la convección Cuando una superficie se pone en contacto con un fluido a distinta temperatura se produce, en los primeros instantes, una transmisión de calor por conducción, pero una vez que el fluido en contacto con la superficie modifica su temperatura sufre una diferencia de densidad respecto al resto del fluido, que hace que sea desplazado por éste al actuar las fuerzas gravitatorias, lo que incrementa la transferencia del calor en una magnitud muy superior al de la mera conducción. Este fenómeno se denomina convección libre o natural, que es la que se suele considerar en ambientes interiores, ya que se estima que el aire permanece prácticamente en reposo. Otro caso es aquel en que el aire se mueve fundamentalmente debido a fuerzas exteriores, tales como el viento, en cuyo caso el proceso de transferencia de calor se incrementa notablemente y se denomina convección forzada, que es el que habitualmente se considera en superficies en contacto con el ambiente exterior. Existe un tercer caso, intermedio entre los anteriores, en que las fuerzas actuantes, debidas a la variación de la densidad y las acciones exteriores (viento), son de magnitud parecida, produciéndose una superposición de los efectos de la convección libre y la forzada, y que se denomina convección mixta. Es el caso mas general porque en la práctica siempre hay variación de densidad y además el aire no está en reposo absoluto

Radiación. La transferencia de calor por radiación no requiere ningún medio material intermedio en el proceso. La energía se traslada desde la superficie del sol hasta la tierra, donde es absorbida y convertida en energía calorífica. La energía emitida por un filamento de lámpara eléctrica atraviesa el espacio entre filamento y bulbo aunque no tenga ningún gas en su interior. Energía de esta naturaleza la emiten todos los cuerpos. Un cuerpo que absorbe esta energía radiante la convierte en calor, como resultado de un aumento de su velocidad molecular. Todos los cuerpos calientes emiten energía radiante. Una estufa, por ejemplo, emite energía radiante hasta que encuentra cualquier objeto donde, en general, es parcialmente reflejada, parcialmente absorbida y parcialmente transmitida. Sucede lo mismo que con la luz, excepto que no produce sensación en la vista. La energía radiante calorífica difiere de la luz únicamente en la longitud de onda. Hay grandes diferencias en la transparencia de las diversas sustancias a la radiación calorífica. Algunos materiales tales como el caucho duro, óxido de níquel, vidrios especiales o una disolución de sulfuro de carbono y yodo, opaca a la luz, son casi transparentes a las radiaciones caloríficas. Los vidrios de ventana ordinarios, casi completamente transparentes a la luz, absorben radiaciones caloríficas. El tejado de vidrio de un invernadero es transparente a las radiaciones visibles y al infrarrojo próximo procedente del sol. Esta energía se convierte en calor cuando es absorbida por los objetos que están dentro del invernadero. Estos objetos se calientan y radian energía, pero, dado que su temperatura no es alta, la radiación calorífica que emiten no es idéntica a la que recibieron. El vidrio no transmite esta energía calorífica y, por tanto, la energía radiada por los cuerpos que están dentro del invernadero no puede salir. Un invernadero actúa, por tanto, como una trampa para energía, y dado que las pérdidas por radiación y convección se previenen en alto grado, la temperatura interior puede ser muy superior a la del exterior, siempre que reciba energía solar directa.

Mecanismo de la radiación. La radiación es un proceso por el cual fluye calor desde un cuerpo de alta temperatura a un cuerpo de baja temperatura, cuando éstos están separados por un espacio, inclusive el vacío absoluto. La energía transmitida de esta forma se denomina calor radiante o energía radiante que es de la misma naturaleza que la luz visible ordinaria y viaja a una velocidad de 300 000 Km/s. (3 x 1010 cm/s) con la diferencia únicamente en sus respectivas longitudes de onda. La cantidad de energía radiante puede evaluarse mediante la siguiente expresión: e = s T4 Donde: s = Constante de Stefan-Boltzman = 0,1741 x 10-8 BTU/ft2 oR T = Temperatura en grados absolutos.

Cuando la radiación incide sobre un cuerpo, es parcialmente absorbida, parcialmente reflejada y parcialmente transmitida, a través del cuerpo. Luego: a + r + t = 1 a : Fracción absorbida o absorbancia r : Fracción reflejada o Reflexión t : Fracción Transmitida o transmisividad.

 Consideremos el intercambio de calor radiante entre superficies, en un medio que no absorbe, emite ni dispersa la radiación, que puede ser el vacío o aire a baja temperatura. La radiación de superficies reales difiere en varios aspectos a la radiación del cuerpo negro, mientras que la energía radiada por un cuerpo negro es: e = s T4

Un cuerpo real radia menos energía que un cuerpo negro a la misma temperatura e =e s T4

La emisividad es función de la longitud de onda, para los materiales que son buenos conductores eléctricos tales como el cobre, aluminio, etc. La emisividad decrece con el aumento de la longitud de onda. Los materiales no conductores de la electricidad como la arcilla, plástico, loza, etc. Su emisividad aumenta con la longitud de onda. Para cálculos de transferencia de calor se requiere una emisividad promedio o una absorbancia promedio para la banda de longitudes de onda en la que emite o absorbe la mayor parte de la radiación. Para dos cuerpos radiadores de igual geometría a temperaturas T1 y T2 el calor transferido es: qr = s A (T14 – T24) Para dos cuerpos reales de igual geometría a temperaturas T1 y T2 el calor neto transferido será: Para dos cuerpos reales de geometría diferente, el calor neto transferido será: Siendo: FA : Factor de visión llamado también factor de ángulo, que tiene en cuenta el ángulo sólido medio con que una superficie ve a otro. Fe : Factor que depende de las emisividades individuales y en algunos casos de la relación de áreas. Muchas veces en ingeniería es conveniente representar el efecto neto de la radiación de la misma forma empleada en la convección: Donde hr es el coeficiente de transferencia de calor por radiación

Intercambiadores de calor. Cuando se transfiere calor de un fluido a otro en un proceso industrial, sin mezclarlos, los fluidos están separados y la transferencia de calor se lleva a cabo en un aparato conocido como intercambiador de calor. Un intercambiador de calor puede ser de diversas formas y tamaños, y usualmente está diseñado para realizar una función específica. Las plantas de generación a vapor usan intercambiadores de calor como condensadores, economizadores, calentadores de aire, calentadores del agua de alimentación, recalentadores, etc. es común diseñar intercambiadores de calor por medio de su forma geométrica y sus direccioners relativas de flujo de los fluidos de transferencia de calor.

La ley de Newton para los intercambiadores de calor puede escribirse así, Q = UA(D t)mDonde U es la conductancia total o el coeficiente de transferencia de calor total que tiene las mismas unidades físicas que el coeficiente de convección h, Btu/hr ft2 °F; A es la superficie de transferencia de calor en pies cuadrados; y (D t)m es una diferencia de temperatura media adecuada. El coeficiente de transferencia de calor total, U, en la ecuación, por lo regular no es constante para todas las parteds del intercambio de calor, y su valor local es función de las temperaturas locales del fluido. Sin embargo, es una práctica común evaluar los coeficientes de tansferencia de calor individuales con base en la media aritmética de las temperaturas de los fluidos. Por analogía con la convección se tiene I/UA = resistencia.

12. Bibliografía

CURSO DE FÍSICA GENERAL Tomo 1 Cuarta Edición Frish, S Impreso en la URSS Editorial MIR LAROUSSE ENCICLOPEDIA CIENTÍFICA Tomo2 García-Pelayo, Ramón Impreso en México Ediciones Larousse Termodinámica. Kenneth Wark Jr. (Mc. Graw-Hill). Manual del ingeniero Mecánico. Eugene A. Avallone Theodore Baumeister (Mc Graw-Hill) Enciclopedia de la Ciencia y tecnología. (DENAE).(tomo 6)

• Enciclopedia Encarta ’98
• Enciclopedia Barsa, Tomo XVIII

TERMODINÁMICA Irving Granet. Tercera edicición. Prentice Hall.

Autor:

Anonimo