Transferencia de Calor
- Introducción a la transferencia de energía, sistema de unidades
- Tipos de transferencia de calor
- Conducción estacionaria unidimensional. Conducción a través de cilindro y paredes compuestas. Analogía eléctrica
- Convección libre y Forzada
- Transferencia de calor por radiación. Ley de Stefan- Boltzman. Radiación entre cuerpos negros
- Intercambiadores de calor. Tipos. Patrones de diseño en la fabricación de intercambiadores de calor
- Problema
- Conclusiones y Recomendaciones
- Bibliografía
¿Qué es la energía? De ella sabemos, por ejemplo, que puede fluir en diversas formas, como la energía calórica, la energía eléctrica y el trabajo mecánico. También, que se puede almacenar en diversas formas tales como energía de formación en un resorte comprimido, energía interna en un cuerpo caliente y energía química en un combustible. Además, Eistein demostró a principios del siglo XX que es interconvertible con la masa en si misma; es decir que el mundo físico entero es una manifestación de energía. Por ejemplo, podríamos decir que la energía calórica fluye debido a la diferencia de temperatura o que expresa la energía interna de un material en términos de la actividad de un átomo, pero sin embargo esto no contesta la pregunta inicial.
La verdad es que en realidad desconocemos la respuesta. La mayoría de las materias científicas y tecnológicas comienzan con una aceptación del concepto de energía y tratan las diversas formas de energía y masa como elemento fundamental del universo. Los problemas que se refieren a la naturaleza fundamental y la existencia de energía son más apropiados a los campos de la filosofía y religión. La ciencia no puede dar razones de la existencia de energía o la existencia del mundo físico. Nosotros mismo somos parte de este universo físico, parte de la energía que deseamos entender y debido a esto ser esencialmente imposible entender la existencia de la energía. Sin embargo, esto no debe desalentarnos en el estudio de las características de diversas energías. El progreso realizado por el hombre y que lo a llevado a su estado presente de civilización, a sido gracias a que a recabado información acerca de ella.
El tema de este trabajo se refiere precisamente a una de las muchas manifestaciones de la energía, el calor.
El aislamiento sirve para retardar la transferencia de calor fuera o dentro de un ámbito acondicionado. En la mayoría de los casos, ese ámbito es la casa. Durante los meses fríos, el objetivo es mantener el aire caliente dentro y detener o al menos retardar el movimiento del aire frío proveniente del exterior. Durante los meses de calor, el objetivo se invierte, pero los principios de retardo de la transferencia de calor se mantienen constantes, independientemente del sentido del flujo de calor.
Q: Taza de flujo calórico [KW]
q: Taza de flujo calórico por unidad de área [KW/m]
La transferencia de calor, en física,
proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y
la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.
El calor puede transferirse de tres formas: por conducción, por convección y por radiación. La conducción es la transferencia de calor a través de un objeto sólido: es lo que hace que el asa de un atizador se caliente aunque sólo la punta esté en el fuego. La convección transfiere calor por el intercambio de moléculas frías y calientes: es la causa de que el agua de una tetera se caliente uniformemente aunque sólo su parte inferior esté en contacto con la llama. La radiación es la transferencia de calor por radiación electromagnética (generalmente infrarroja): es el principal mecanismo por el que un fuego calienta la habitación.
Existen tres métodos para la transferencia de calor: conducción, convección y radiación. Conocer cada tipo y saber cómo funciona le permite entender mejor cómo los sistemas de aislamiento y burletes protegen el espacio acondicionado.
Conducción. En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).
El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el
tiempo; en este caso, se habla de conducción térmica transitoria. Con la ayuda de ordenadores (computadoras) analógicos y digitales, estos problemas pueden resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de geometría complicada.
Convección. Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.
Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. De forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel exterior —que está más frío— desciende, mientras que al aire cercano al panel interior —más caliente— asciende, lo que produce un movimiento de circulación.
El calentamiento de una habitación mediante un radiador no depende tanto de la radiación como de las corrientes naturales de convección, que hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el radiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea máxima. De la misma forma, la convección natural es responsable de la ascensión del agua caliente y el vapor en las calderas de convección natural, y del tiro de las chimeneas. La convección también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie.
Radiación. Es la transferencia de calor, en forma de energía electromagnética, por el espacio. La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica.
En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. La naturaleza cuántica de la energía radiante se había postulado antes de la aparición del artículo de Einstein, y en 1900 el físico alemán Max Planck empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la
mecánica estadística para derivar una ley fundamental de la radiación.
La expresión matemática de esta ley, llamada distribución de Planck, 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. Como puede demostrarse a partir de la ley de Planck, el
poder emisor de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor de proporcionalidad se denomina constante de Stefan-Boltzman en honor a dos físicos austriacos, Joseph Stefan y Ludwig Boltzman que, en 1879 y 1884 respectivamente, descubrieron esta proporcionalidad entre el poder emisor y la temperatura. Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite.
Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiación incidente. Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben más calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía radiante que las superficies mates.
Además, las sustancias que absorben mucha radiación también son buenos emisores; las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos emisores. Por eso, los utensilios de cocina suelen tener fondos mates para una buena absorción y paredes pulidas para una emisión mínima, con lo que maximizan la transferencia total de calor al contenido de la cazuela.
Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de radiación. Se observa experimentalmente que las propiedades de absorción, reflexión y transmisión de una sustancia dependen de la longitud de onda de la radiación incidente. El vidrio, por ejemplo, transmite grandes cantidades de radiación ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los rayos infrarrojos, de alta longitud de onda. Una consecuencia de la distribución de Planck es que la longitud de onda a la que un cuerpo emite la cantidad máxima de energía radiante disminuye con la temperatura. La ley de desplazamiento de Wilhelm, llamada así en honor al físico alemán Wilhelm Wien, es una expresión matemática de esta observación, y afirma que la longitud de onda que corresponde a la máxima energía, multiplicada por la temperatura absoluta del cuerpo, es igual a una constante, 2.878 micrómetros-Kelvin. Este hecho, junto con las propiedades de transmisión del vidrio antes mencionadas, explica el calentamiento de los invernaderos. La energía radiante del Sol, máxima en las longitudes de onda visibles, se transmite a través del vidrio y entra en el invernadero.
En cambio, la energía emitida por los cuerpos del interior del invernadero, predominantemente de longitudes de onda mayores, correspondientes al infrarrojo, no se transmiten al exterior a través del vidrio. Así, aunque la temperatura del aire en el exterior del invernadero sea baja, la temperatura que hay dentro es mucho más alta porque se produce una considerable transferencia de calor neta hacia su interior.
Además de los procesos de transmisión de calor que aumentan o disminuyen las temperaturas de los cuerpos afectados, la transmisión de calor también puede producir cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua. En
ingeniería, los procesos de transferencia de calor suelen diseñarse de forma que aprovechen estos fenómenos. Por ejemplo, las cápsulas espaciales que regresan a la atmósfera de la Tierra a velocidades muy altas están dotadas de un escudo térmico que se funde de forma controlada en un proceso llamado ablación para impedir un sobrecalentamiento del interior de la cápsula. La mayoría del calor producido por el rozamiento con la atmósfera se emplea en fundir el escudo térmico y no en aumentar la temperatura de la cápsula
El caso mas sencillo de conducción es el que se establece en sólidos de caras paralelas de manera que el flujo será unidireccional, cuando dicho sólido se encuentre en equilibrio termodinámico sin variar su temperatura en el tiempo, lo que se denomina régimen estacionario y que implica que no existe acumulación de calor, y que además no existan fuentes o sumideros de calor en si seno, es decir, sin generación de calor.
El calor transmitido por conducción por unidad de tiempo y por unidad de superficie, es decir, el flujo de calor Q, es proporcional al gradiente de temperatura dT/dx, siendo x la dirección del flujo y el área normal a éste. El coeficiente de proporcionalidad del flujo de calor es una propiedad física del medio, denominada conductividad térmica l, de manera que
Esta ecuación expresa la Ley de conducción de Fourier, donde el signo negativo indica que para existir un flujo de calor de dirección positiva se precisa un gradiente de temperatura negativo en dicha dirección, es decir, que la temperatura disminuye en dicha dirección.
La conductividad térmica l 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.
Dirección del flujo del calor por conducción y gradiente de temperatura
- Conducción a través de cilindros y paredes compuestas .Analogía eléctrica.
Cilindro
Circuito eléctrico análogo.
Circuito eléctrico análogo para cilindro
Paredes compuestas
Paredes en serie
En la practica se presentan paredes compuestas por diversos materiales, en la figura se esquematiza una pared compuesta de tres materiales a,b,c dispuestas en serie.
En la figura se presenta el circuito eléctrico análogo al problema térmico de las tres paredes conectadas en serie.
Paredes compuestas conectadas en serie
Circuito eléctrico análogo
Circuito eléctrico análogo para paredes compuestas conectadas
En serie
Paredes compuestas conectadas en paralelo
A continuación se ilustra la situación de una pared compuesta formada por dos materiales, a, b que están conectadas en paralelo.
Pared compuesta conectada en paralelo
Circuito eléctrico análogo para una pared compuesta conectada en paralelo
La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido.
En la transferencia de calor por convección forzada se provoca el flujo de un fluido sobre una superficie sólida por medio de una fuerza externa como lo es una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico.
En la transferencia de calor por convección libre o natural en la cual un fluido es más caliente o más frío y en contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido.
Convección es el flujo global de un fluido debido a agentes externos como diferencia de temperatura (convección natural), fuerzas debidas a la presión o gravedad (convección forzada). Por lo tanto es un mecanismo de transporte de los bien conocidos fenómenos de transporte (transporte calor, momentum y materia).
- 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.
Mecanismos térmicos
Se define como ambiente al espacio tanto interior como exterior a la envolvente del cerramiento, en el cual se incluye todos aquellos parámetros físicos que intervienen en los procesos de transferencia de calor, ya sea por radiación como por convección.
Se define como cerramientos a los elementos de separación entre el ambiente interior y el ambiente exterior de un edificio y que constituyen su envolvente ciega. Los elementos delimitadores del ambiente interior que pueden permitir el paso del aire, la luz, etc. se denominarán huecos, y no serán objeto de este estudio, ni tampoco las particiones entre diferentes zonas del ambiente interior.
Regiones definidas en los cerramientos.
En la transmisión del calor a través de los cerramientos, entre el ambiente exterior y el ambiente interior de los edificios, se distinguen varios mecanismos de transferencia y regiones donde se realizan:
Superficies, en contacto con el ambiente ex0terior e interior, donde se intercambia calor por radiación y convección entre el ambiente y el interior del cerramiento.
Interior del cerramiento, donde se transmite calor por conducción entre ambas superficies a través de varias capas, y se almacena calor por acumulación en su masa térmica.
Aislamientos, que son regiones del interior del cerramiento con elevada resistencia térmica y sin acumulación de calor. Los casos convencionales son las capas aislantes, de masa despreciable, y las cámaras de aire, que si bien actúan por mecanismos de convección y radiación, se asimilan a una resistencia térmica y por supuesto carecen de capacidad de acumulación.
Conducción y acumulación
La conducción es el modo de transferencia térmica en el que el calor se mueve o viaja desde una capa de temperatura elevada del cerramiento a otra capa de inferior temperatura debido al contacto directo de las moléculas del material. La relación existente entre la velocidad de transferencia térmica por conducción y la distribución de temperaturas en el cerramiento depende de las características geométricas y las propiedades de los materiales que lo constituyen, obedeciendo la denominada la Ley de Fourier.
Cuando el cerramiento se encuentra en equilibrio termodinámico resulta que el flujo de calor y la temperatura en cada punto del mismo permanece constante, y el proceso se denomina transmisión en régimen estacionario y el flujo de calor es función de la propiedad de los materiales denominada conductividad.
Cuando no existe el anterior equilibrio, ya sea porque el cerramiento no ha tenido tiempo para estabilizarse o debido a que las condiciones del entorno varían en el tiempo, el proceso de denomina transmisión en régimen transitorio, caracterizado porque la temperatura en cada punto del cerramiento varían en el tiempo. Una consecuencia de la variación de temperatura en el interior del cerramiento es la acumulación del calor, debido a la propiedad de los materiales de absorber o disipar energía cuando varía su temperatura denominada calor específico.
Cuando el aire de un ambiente se pone en contacto con la superficie de un cerramiento a una temperatura distinta, el proceso resultante de intercambio de calor se denomina transmisión de calor por convección. Este proceso es una experiencia común, pero una descripción detallada del mecanismo es complicada dado que además de la conducción hay que considerar el movimiento del aire en zonas próximas a la superficie.
En el caso que la fuerza motriz que mueve el aire proceda exclusivamente de la diferencia de densidad en el aire que resulta del contacto con la superficie a diferente temperatura y que da lugar a fuerzas ascensionales se producirá el proceso de transmisión denominado convección libre o natural.
Cuando exista una fuerza motriz exterior, como el viento, que mueva al aire sobre una superficie a diferente temperatura se producirá una convección forzada, que debido al incremento de la velocidad del aire se transmitirá una mayor cantidad de calor que en la convección libre para una determinada diferencia de temperatura. En el caso que se superpongan ambas fuerzas motrices, por ser de magnitudes semejantes, el proceso se denomina convección mixta. En cualquiera de los casos el fenómeno se puede evaluar mediante la Ley de Newton del enfriamiento.
Q = h · D T [W/m2]
Se denomina transmisión de calor por radiación cuando la superficie del cerramiento intercambia calor con el entorno mediante la absorción y emisión de energía por ondas electromagnéticas. Mientras que en la conducción y la convección era precisa la existencia de un medio material para transportar la energía, en la radiación el calor se transmite a través del vacío, o atravesando un medio transparente como el aire.
Todas las superficies opacas emiten energía en forma de radiación en una magnitud proporcional a la cuarta potencia su temperatura absoluta T, y en un rango de longitudes de onda inversamente proporcional a su temperatura absoluta. Por consiguiente, los cerramientos emiten radiaciones de onda larga, correspondiente al espectro infrarrojo lejano, procedente de sus superficies a temperaturas típicas del ambiente, en función de una propiedad superficial denominada emitancia, y de forma simultánea absorben radiaciones similares emitidas por las superficies visibles de su entorno, en un proceso denominado irradiación.
Q emitida = e · s · T4 [W/m2]
En el ambiente también se puede considerar la presencia de radiaciones de onda corta, correspondiente al espectro de radiación visible e infrarrojo cercano, procedente de fuentes de elevada temperatura como el sol y el alumbrado artificial, para las cuales los cerramientos se comportan solo como absorbentes en función de una propiedad superficial denominada absortancia.
Q absorbida = a · Q incidente [W/m2]
La transmisión de calor por radiación se caracteriza porque la energía se transporta de una superficie a otra en forma de ondas electromagnéticas, que se propagan en línea recta a la velocidad de la luz y no requieren de un medio físico para transmitirse.
Tanto la teoría ondulatoria como la corpuscular son útiles para explicar el comportamiento de la radiación térmica. La teoría ondulatoria asimila la radiación a una onda que oscila con una frecuencia h [Seg-1] y a una longitud de onda l [M], siendo la velocidad de la luz Vr:
La teoría corpuscular admite que la energía radiante se transporta en forma de paquetes llamados fotones, que se propagan con distintos niveles energéticos dados por la Ley de Planck, por lo que la frecuencia es función del nivel de energía. Cuando un cuerpo toma energía los electrones libres son excitados, saltando a niveles de mayor energía, y cuando retornan al nivel de equilibrio devuelven dicha diferencia de energía en forma de un fotón.
En toda superficie existen continuamente electrones que cambian de diferentes niveles, por lo que la energía radiante se emite en un abanico de frecuencias llamado espectro de la radiación. Cuando el origen de la radiación es el calor, la energía se emite en función solo de la temperatura y se denomina radiación térmica.
Física de la radiación
No todas las superficies emiten o absorben la misma cantidad de energía radiante cuando se calientan a la misma temperatura. Un cuerpo que absorba o emita a una temperatura determinada la máxima cantidad de energía se denomina superficie negra o simplemente cuerpo negro. Un cuerpo negro perfecto no existe en la realidad, sino que es un ente ideal que se utiliza como referencia respecto a otros radiadores. No obstante, existen numerosas superficies que son cuerpos negros casi perfectos, sobre todo para radiaciones de onda larga, por lo que para casos prácticos son considerados como tales con suficiente exactitud.
Cuando un cuerpo negro se calienta a una temperatura absoluta T, su superficie emite un flujo de radiación térmica con una distribución espectral definida, que es determinable mediante la Ley de Planck. La longitud de onda a la cual la potencia emisiva es máxima se puede deducir de la Ley de Planck, cuyo resultado es la Ley del deslizamiento de Wien:
El flujo total de energía radiante que emite un cuerpo negro a una temperatura absoluta T (ºK) y en todo el espectro se determina integrando la distribución de Planck para todas las longitudes de onda, cuyo resultado se conoce como la Ley de Stefan-Boltzman:
Qo = s x T4= 5.67 x 10-8 x T4 (ºK) [W/m2]
Siendo s = 5.67´ 10-8 [W/m2 ºK4] la Constante de Stefan-Boltzman. Esta última ley es de gran utilidad, y de su análisis se deduce que si bien la constantes es de muy pequeña magnitud, se compensa por el valor que puede alcanzar el término de la temperatura por estar elevado a la 4ª potencia. Así un cuerpo negro a 6250ºK (por ejemplo el Sol) emitiría 86´ 106 W/m2, e incluso a una temperatura ambiental de 300ºK (27ºC) emitiría 460 W/m2, lo que constituye un flujo importante para las magnitudes de transferencia de calor usuales en cerramientos.
El espectro de las radiaciones térmicas habituales en los ambientes arquitectónicos contiene longitudes de ondas comprendidas entre 0.2 y 50 ´ 10-6 m, y a efectos de la transmisión de calor por radiación en cerramientos se pueden dividir en dos regiones:
- Radiación térmica de onda corta con longitudes entre 0,2 y 3 micrómetros, característica de las fuentes de radiación de alta temperatura (T=6000 ºK) como el sol ó el alumbrado artificial, y cuyo campo comprende parte del ultravioleta (l<0.4 mm), todo el espectro visible (0.4<l<0.7 mm) y el infrarrojo cercano (0.7<l<3 mm), en cuyo margen emiten el 98% de la energía.
- Radiación térmica de onda larga, también llamada irradiación, con longitudes entre 3 y 50 mm, característica de fuentes de radiación a temperatura ambiente (T=300 ºK) como son las superficies del entorno, y cuyo espectro comprende el infrarrojo lejano, donde emiten el 97% de la energía.
Mecanismos combinados de transmisión del calor
Los procesos de transmisión del calor por medio de la conducción, convección y radiación, junto con la eventual acumulación, se producen de forma simultánea y concurrente, de manera que en situaciones reales, e incluso en condiciones de laboratorio, es difícil discernir con exactitud la contribución de cada mecanismo en la transmisión de calor entre los ambientes y el cerramiento.
En el intercambio de calor entre la superficie del cerramiento y el ambiente se solapan los flujos debidos a la radiación y la convección, debiéndose considerar en el primero la contribución de la absorción de onda corta, ya sea procedente del sol o del alumbrado, y la de onda larga, procedentes de las superficies del entorno e incluso, en el caso de recintos cerrados, existirían radiaciones infrarrojas emitidas por el cerramiento y reflejadas por el resto de los paramentos.
Simultáneamente a la radiación, los flujos de calor por convección dependerán si el aire es movido por fuerzas gravitatorias o son impulsados por agentes externos, o por una combinación de ambos. La complejidad del cálculo riguroso de todos estos mecanismos ha llevado a la definición de un Coeficiente de transferencia superficial de calor h, de fácil aplicación en el estudio de casos simplificados, tales como los propuestos por normas oficiales de aislamiento térmico, y en los que se integran la convección y la radiación con valores típicos.
Q = h· D T = (+ h rad) · D T [W/m2]
En la transmisión de calor por conducción a través de los cerramientos hay que considerar generalmente que éste está constituido por varias capas con propiedades físicas diferentes, debiéndose calcular su resistencia total como la suma de varias resistencias en serie, y que las temperaturas interiores resultantes en régimen estacionario tendrán un gradiente diferente en cada capa. En el caso de existir zonas adyacentes con diferentes conductividades, tales como puentes térmicos, el coeficiente global de conductividad será la media ponderara de las conductividades en paralelo. Por último, en el caso de conducción en régimen transitorio, se generarán sumideros y fuentes de calor por acumulación en función de la variación temporal de las temperaturas en cada punto de su interior.
Esquema de los flujos de calor entre el cerramiento y su entorno
Un caso particular sería la presencia de cámaras de aire en el interior del cerramiento, en las cuales se generan mecanismos de transmisión de calor por convección y radiación, que generalmente se pueden asimilar a una capa con resistencia térmica pero sin acumulación de calor por carecer de masa apreciable.
No se ha considerado en el presente estudio ciertos casos especiales, que se pueden presentar en situaciones reales, en los que se producen fenómenos de transferencia de masa tales como cámaras de aire ventiladas o difusión del vapor, ni aquellos casos en los que hay fenómenos implicados de cambio de fase del agua, como condensaciones o congelación, que generan fuentes o sumideros de calor latente de gran magnitud.
La conducción es el único mecanismo de transmisión del calor posible en los medios sólidos opacos, tales como el interior de los cerramientos. Cuando en estos cuerpos existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura debido al contacto directo entre las moléculas del medio.
La conducción puede aparecer en los sólidos, líquidos y gases. Sin embargo, en el caso de los líquidos y gases que puedan 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. En el ámbito del presente estudio se puede aplicar plenamente la conducción pura al interior de los cerramientos, pero los principios que se desarrollarán pueden aplicarse asimismo a gases que tengan limitado el movimiento convectivo, como es el casos de los aislamientos en los cuales predomina el volumen ocupado por el gas, ya este se encuentra confinado por una estructura fibrosa o celular.
Radiación
Los cuerpos de la figura se encuentran en el vacío, y no están en contacto entre sí ni por medio de ningún otro sólido que los conecte. Tienen temperaturas distintas en un instante dado, pero a medida que pasa el tiempo se observará que sus temperaturas se van igualando, verificándose que existe transmisión de calor entre ellos.
Como no están en contacto ni conectados por otro sólido conductor, la transmisión no puede ser por conducción.
Como tampoco hay fluido en el vacío que los circunda, no habrá convección.
Estaremos ante un fenómeno de radiación térmica. Es una forma de emisión de ondas electromagnéticas que emana todo cuerpo que esté a mayor temperatura que el cero absoluto.
Las ondas electromagnéticas son asociaciones de campos eléctricos y magnéticos que se propagan a la velocidad de la luz, serán explicados en otra página que confeccionaré y versará sobre Electromagnetismo.
Características de la radiación térmica:
- No se necesita medio material, ni sólido, ni fluido.
- Es emisión de ondas electromagnéticas.
- Emite todo cuerpo a T>0°K
Ley de Stefan- Boltzman
La ley de Stefan- Boltzman, establece que si un cuerpo se encuentra a una determinada temperatura, este emite calor que viene cuantificado por:
La ley de Stefan-Boltzman, aplica a los denominados cuerpos negros, que son aquellos cuerpos que emiten la mayor cantidad de calor posible.
En la práctica los cuerpos negros son una idealización, en realidad los cuerpos reales solamente emiten una fracción de la energía que emite un cuerpo negro. A dichos cuerpos se les denominan cuerpos grises.
Flujo de calor en cuerpos grises
Para el caso de cuerpos grises la ecuación de Stefan- Boltzman se edifica, incluyendo la emisividad Térmica, , de forma que para un cuerpo gris, el flujo de calor viene dado por:
Coeficiente de emisividad y de absortividad.
Para estudiar el fenómeno se utiliza el llamado cuerpo negro, una esfera de platino revestida en negro de humo, a una temperatura de 2816°C. Se considera que la radiación de este cuerpo es la referencia, y se lo compara con otros.
QR: radiación térmica del cuerpo real por unidad de tiempo y de superficie.
QN: radiación térmica del cuerpo negro por unidad de tiempo y de superficie.
La relación entre ambas radiaciones térmicas es el coeficiente de emisividad térmica e.
e = QR / QN
También se analiza la capacidad de los cuerpos para absorber la radiación térmica mediante un procedimiento similar:
QA: radiación térmica absorbida por el cuerpo real por unidad de tiempo y por unidad de superficie
QI: radiación térmica absorbida por el cuerpo negro por unidad de tiempo y por unidad de superficie
a = QA / QI
Kirchoff demostró que: e = a
Ecuación de Stefan-Boltzman.
Sirve para calcular el calor:
dQ/dτ = σ e T4
Donde aparece la constante universal de Stefan-Boltzman, que vale:
σ = 4,88 . 10-8 cal °K-4 seg-1
Conducción.
Definición.
Para que exista transmisión de calor por conducción se considera que el calor fluirá a través de un medio cuyas moléculas están fijas en sus posiciones, es decir un medio sólido.
Ejemplos de medios sólidos: acero, madera, corcho, plástico, todos ellos claro está que a temperatura en que tengan estado sólido.
Este flujo de calor ocurrirá sólo si existe un salto térmico entre dos puntos del sólido. Este salto térmico o diferencia de temperaturas será expresado en forma infinitésima como dt.
A su vez para que tenga lugar el flujo de calor debe transcurrir un tiempo, al que llamaremos con el infinitésimo dτ.
Al calor también los tomaremos como infinitésimo dQ.
Flujo de calor o flujo calórico.
Con los parámetros antes explicados formaremos una expresión que defina matemáticamente al flujo calórico F:
F = dQ/dτ
Experimentalmente se ha comprobado que este flujo calórico es directamente proporcional al potencial térmico (diferencia de temperaturas) e inversamente proporcional a lo que llamaremos resistencia del medio. Cada material ofrece distinta resistencia al flujo de calor. De esta forma podemos expresar al flujo como:
F ~ potencial térmico
Resistencia del medio
Resistencia del medio.
A la resistencia de cada medio en particular le asignaremos una constante R que surge de experimentos con cada sustancia. También consideraremos su inverso, es decir la conductancia λ (lambda), que es el parámetro que utilizaremos.
λ = R-1
Así el flujo se puede considerar también:
F ~ λ potencial tιrmico
Casos generales
Se analiza la temperatura para determinar lo que se llama potencial térmico. Se la plantea como una función de la posición y el tiempo.
t = f(x, y, z, τ)
Las temperaturas configuran un campo escalar en el medio de conducción. Planteamos el operador vectorial 
t (nabla t), que definirá al gradiente térmico.
El área a través de la cual el calor fluye también se vectoriza, constituyendo un infinitésimo dĀ.
Finalmente tomamos las ecuaciones de flujo de calor y planteamos la siguiente ecuación diferencial:
dQ/dτ = - λ dĀ x t
Esta es la Ley de Fourier para la conducción. El primer término es la derivada del calor respecto del tiempo. El segundo miembro participa la conductividad λ y el producto escalar entre el vector área y el vector gradiente de temperaturas obtenido del operador t.
Para obtener el flujo de calor se efectúa la integral respecto del gradiente y para obtener el calor se integra respecto del tiempo.
Forma genérica de la ecuación de Fourier:
dQ/dτ ]A = - λ ∫ dĀ x t
Convección.
Definición.
Para que exista transmisión de calor por convección se considera que el calor fluirá a través de un medio cuyas moléculas o partículas presentan movimiento relativo, es decir un medio líquido, gaseoso, o más genéricamente un medio fluido.
Ejemplos de medios fluidos: aire, agua, oxigeno, aceites, etc., todos ellos claro está que a presión y temperatura en que tengan estado gaseoso, líquido o con una viscosidad suficiente para permitir el movimiento relativo de sus partículas.
La convección puede ser natural o forzada.
Convección natural.
Es debida al gradiente térmico, y se justifica:
1. Por la diferencia de densidad o de peso específico que aparece debido a las diferentes temperaturas. Esto produce que el fluido más frío circule hacia abajo y el más caliente hacia arriba, produciendo una corriente ascendente. En esta consideración participa la fuerza de gravedad, pero en el caso que ésta no entre en juego por estar el sistema en el espacio exterior, la convección natural también tiene lugar, por el siguiente punto.
2. Las partículas líquidas o gaseosas tienen movimientos relativos contínuos, que aumentan al aumentar sus estados térmicos. Este movimiento transporta la energía calórica en forma de energía cinética mientras se desplaza la partícula y va colisionando con las millones que encuentra en su camino, y a su vez éstas hacen lo mismo, verificándose una convección a nivel molecular de flujo muy turbulento. El movimiento de las partículas es conocido como movimiento browniano.
Convección forzada.
Es cuando se aplican medios mecánicos para hacer circular el fluido.
Ejemplos: ventilador, bomba, agitador, etc.
Ley de Newton.
Newton estudió el mecanismo de convección en forma comparativa observando la circulación de fluidos en un sistema de tubos cilíndricos concéntricos donde el fluido circula a contracorriente.
El estudio se realiza por comparación: la transmisión de calor se realiza en regimenes de circulación tanto laminar como turbulento. En estas condiciones, Newton midió cantidad de calor transferido ΔQ, el gradiente de temperaturas t y como consecuencia obtuvo experimentalmente una resistencia al flujo de calor proporcional al gradiente t e inversamente proporcional al calor ΔQ.
R ~ Δt / ΔQ
La constante de convección "h".
Para las aplicaciones prácticas se utiliza la constante "h", llamada también coeficiente de película.
Es de muy difícil determinación, ya que depende de las siguientes variables:
- velocidad de circulación
- densidad de fluído
- calor específico de las sustancias
- diámetro de los tubos
- viscosidad del fluído
- conductividad
Con todos estos parámetros se plantea la solución mediante el análisis adimensional de Backingham (disponible en próximas publicaciones).
Ecuación general de convección.
Para cada sistema de convección existirá una constante "h", de tal forma que la ecuación de Newton se plantea similar a la de Fourier:
dQ/dτ ]A = h A (t-θ)
Esta ecuación representa el flujo de calor que se manifiesta en un sistema a régimen permanente, en donde t es la temperatura de un fluído estanco o un cuerpo en cualquier estado de agregación, y θ es la temperatura del fluído convectivo.
Para entender mejor esta ecuación se sugiere analizar los casos de aplicación.
- Leyes de los mecanismos de transmisión
Cada mecanismo tiene sus leyes, a saber:
Conducción: Ley de Fourier.
Convección: Ley de Newton.
Radiación: Ley de Stefan Boltzman
- Intercambiadores de Calor. Patrones de Diseño en la fabricación
Un intercambiador de calor es cualquier dispositivo utilizado para transferir calor de un líquido procesado a otro. En un tipo de intercambiador, los hidrocarburos procesados circulan a través de tubos rodeados por aire o agua fría, de forma similar al radiador de un automóvil.
El intercambio de calor por radiación entre varias superficies depende de sus diferentes características radiantes, geometrías y orientaciones. El análisis exhaustivo del fenómeno no es operativo por ser demasiado largo y complejo, por lo que en la práctica se deben asumir algunas simplificaciones para poder abordar el estudio:
- Todas las superficies son grises ó negras.
- Los procesos de emisión y reflexión son difusos.
- Las superficies tienen temperaturas y propiedades uniformes en toda su extensión.
- La absortancia es igual a la emitancia e independiente del tipo de radiación incidente.
- La sustancia que exista entre las superficies radiantes no emite ni absorbe radiación.
Factor de forma
Para determinar el intercambio de calor por radiación entre superficies hay que determinar la distribución de la radiación emitida por cada superficie y que llega a las otras, que se denomina factor de forma, también llamado factor de configuración o de ángulo. El factor de forma desde una superficie i a una superficie j, Fij, se define como la fracción de la radiación emitida por la superficie i que incide sobre la superficie j, o en otras palabras, es interceptada por j.
Si un recinto cerrado está formado por n superficies, la suma de los diferentes factores de forma de la superficie i con respecto a las n superficies será la unidad, propiedad que se denomina relación de recinto, haciéndose notar que si la superficie es plana o convexa no se verá a sí misma, por lo que en dicho caso Fii = 0:
Los factores de forma dependen exclusivamente de la geometría de las superficies, pero la determinación analítica de sus valores resulta complicado, por que se han elaborado tablas y gráficos para los casos mas frecuentes, pudiéndose solucionar casos más complejos mediante la combinación de casos simples y en virtud de las relaciones de reciprocidad o de recinto.
- Tipos de Intercambiadores de Calor
Para la clasificación de los intercambiadores de calor tenemos tres categorías importantes:
Regeneradores:
Los regeneradores son intercambiadores en donde un fluido caliente fluye a través del mismo espacio seguido de uno frío en forma alternada, con tan poca mezcla física como sea posible entre las dos corrientes.
La superficie, que alternativamente recibe y luego libera la energía térmica, es muy importante en este dispositivo.
Las propiedades del material superficial, junto con las propiedades de flujo y del fluido de las corrientes fluidas, y con la geometría del sistema, son cantidades que deben conocer para analizar o diseñar los regeneradores.
Intercambiadores de tipo abierto:
Como su nombre lo indica, los intercambiadores de calor de tipo abierto son dispositivos en los que las corrientes de fluido de entrada fluyen hacia una cámara abierta, y ocurre una mezcla física completa de las corrientes.
Las corrientes caliente y fría que entran por separado a este intercambiador salen mezcladas en una sola.
El análisis de los intercambiadores de tipo abierto involucra la ley de la conservación de la masa y la primera ley de la termodinámica; no se necesitan ecuaciones de relación para el análisis o diseño de este tipo de intercambiador.
Intercambiadores de tipos cerrados o recuperadores:
Los intercambiadores de tipo cerrado son aquellos en los cuales ocurre transferencia de calor entre dos corrientes fluidas que no se mezclan o que no tienen contacto entre sí.
Las corrientes de fluido que están involucradas en esa forma están separadas entre sí por una pared de tubo, o por cualquier otra superficie que por estar involucrada en el camino de la transferencia de calor.
En consecuencia, la transferencia de calor ocurre por la convección desde el fluido más cliente a la superficie sólida, por conducción a través del sólido y de ahí por convección desde la superficie sólida al fluido más frío.
Tipos de Intercambiadores
Los intercambiadores de calor se pueden clasificar basándose en:
- Clasificación por la distribución de flujo
Tenemos cuatro tipos de configuraciones más comunes en la trayectoria del flujo.
En la distribución de flujo en paralelo, los fluidos caliente y frío, entran por el mismo extremo del intercambiador, fluyen a través de él en la misma dirección y salen por el otro extremo.
En la distribución en contracorriente, los fluidos caliente y frío entran por los extremos opuestos del intercambiador y fluyen en direcciones opuestas.
En la distribución en flujo cruzado de un solo paso, un fluido se desplaza dentro del intercambiador perpendicularmente a la trayectoria del otro fluido.
En la distribución en flujo cruzado de paso múltiple, un fluido se desplaza transversalmente en forma alternativa con respecto a la otra corriente de fluido.
- Clasificación según su aplicación
Para caracterizar los intercambiadores de calor basándose en su aplicación se utilizan en general términos especiales.
Los términos empleados para los principales tipos son:
Calderas: Las calderas de vapor son unas de las primeras aplicaciones de los intercambiadores de calor. Con frecuencia se emplea el término generador de vapor para referirse a las calderas en las que la fuente de calor es una corriente de un flujo caliente en vez de los productos de la combustión a temperatura elevada.
Condensadores: Los condensadores se utilizan en aplicaciones tan variadas como plantas de fuerza de vapor, plantas de proceso químico y plantas eléctricas nucleares para vehículos espaciales. Los tipos principales son los condensadores de superficie, los condensadores de chorro y los condensadores evaporativos.
El tipo más común es el condensador de superficie que tiene la ventaja de que el condensado sé recircula a la caldera por medio del sistema de alimentación.
Intercambiadores de calor de coraza y tubos: Las unidades conocidas con este nombre están compuestas en esencia por tubos de sección circular montados dentro de una coraza cilíndrica con sus ejes paralelos al aire de la coraza.
Los intercambiadores de calor líquido-líquido pertenecen en general a este grupo y también en algunos casos los intercambiadores gas-gas.
Son muy adecuados en las aplicaciones en las cuales la relación entre los coeficientes de transferencia de calor de las dos superficies o lados opuestos es generalmente del orden de 3 a 4 y los valores absolutos son en general menores que los correspondientes a los intercambiadores de calor líquido-líquido en un factor de 10 a 100, por lo tanto se requiere un volumen mucho mayor para transferir la misma cantidad de calor.
Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador; las diferencias dependen de la distribución de configuración de flujo y de los aspectos específicos de construcción. La configuración más común de flujo de intercambiadores líquido-líquido de coraza y tubos.
Un factor muy importante para determinar el número de pasos del flujo por el lado de los tubos es la caída de presión permisible. El haz de tubos está provisto de deflectores para producir de este modo una distribución uniforme del flujo a través de él.
Torres de enfriamiento: Las torres de enfriamiento se han utilizado ampliamente para desechar en la atmósfera el calor proveniente de procesos industriales en vez de hacerlo en el agua de un río, un lago o en el océano.
Los tipos más comunes son las torres de enfriamiento por convección natural y por convección forzada.
En la torre de enfriamiento por convección natural el agua se pulveriza directamente en la corriente de aire que se mueve a través de la torre de enfriamiento por convección térmica. Al caer, las gotas de agua se enfrían tanto por convección ordinaria como por evaporación.
La plataforma de relleno situada dentro de la torre de enfriamiento reduce la velocidad media de caída de las gotas y por lo tanto aumenta el tiempo de exposición de gotas a la corriente de aire en la torre.
Se han construido grandes torres de enfriamiento del tipo de convección natural de más de 90 m de altura para desechar el calor proveniente de plantas de fuerza.
En una torre de enfriamiento por convección forzada se pulveriza el agua en una corriente de aire producida por un ventilador, el cual lo hace circular a través de la torre.
El ventilador puede estar montado en la parte superior de la torre aspirando así el aire hacia arriba, o puede estar en la base por fuerza de la torre obligando al aire a que fluya directamente hacia dentro.
Intercambiadores compactos de calor: La importancia relativa de criterios tales como potencia de bombeo, costo, peso y tamaño de un intercambiador de calor varía mucho de una instalación a otra, por lo tanto no es siempre posible generalizar tales criterios con respecto a la clase de aplicación.
Cuando los intercambiadores se van a emplear en la aviación, en la marina o en vehículos aerospaciales, las consideraciones de peso y tamaño son muy importantes.
Con el fin de aumentar el rendimiento del intercambiador se fijan aletas a la superficie de menor coeficiente de transferencia de calor.
Las dimensiones de la matriz del intercambiador así como el tipo, tamaño y dimensiones apropiadas de las aletas varían con la aplicación específica. Se han diseñado varios tipos que se han utilizado en numerosas aplicaciones.
Radiadores para plantas de fuerza espaciales: La remoción del calor sobrante en el condensador de una planta de fuerza que produce la electricidad para la propulsión, el comando y el equipo de comunicaciones de un vehículo espacial presenta problemas serios aún en plantas que generan sólo unos pocos kilovatios de electricidad.
La única forma de disipar el calor sobrante de un vehículo espacial es mediante la radiación térmica aprovechando la relación de la cuarta potencia entre la temperatura absoluta de la superficie y el flujo de calor radiante.
Por eso en la operación de algunas plantas de fuerza de vehículos espaciales el ciclo termodinámico se realiza a temperaturas tan altas que el radiador permanece al rojo. Aún así es difícil de mantener el tamaño del radiador para vehículos espaciales dentro de valores razonables.
Regeneradores: En los diversos tipos de intercambiadores que hemos discutido hasta el momento, los fluidos frío y caliente están separados por una pared sólida, en tanto que un regenerador es un intercambiador en el cual se aplica un tipo de flujo periódico. Es decir, el mismo espacio es ocupado alternativamente por los gases calientes y fríos entre los cuales se intercambia el calor.
En general los regeneradores se emplean para recalentar el aire de las plantas de fuerza de vapor, de los hornos de hogar abierto, de los hornos de fundición o de los altos hornos y además en muchas otras aplicaciones que incluyen la producción de oxígeno y la separación de gases a muy bajas temperaturas.
Para los intercambiadores estacionarios convencionales basta con definir las temperaturas de entrada y salida, las tasas de flujo, los coeficientes de transferencia de calor de los dos fluidos y las áreas superficiales de los dos lados del intercambiador. Pero para los intercambiadores rotatorios es necesario relacionar la capacidad térmica del rotor con la de las corrientes de los fluidos, las tasas de flujo y la velocidad de rotación.
Efectividad de un Intercambiador
La efectividad de transferencia de calor se define como la razón de la transferencia de calor lograda en un intercambiador de calor a la máxima transferencia posible, si se dispusiera de área infinita de transferencia de calor.
A la mayor razón de capacidad se le designa mediante C y a la menor capacidad mediante c.
En el caso del contraflujo, es aparente que conforme se aumenta el área del intercambiador de calor, la temperatura de salida del fluido mismo se aproxima a la temperatura de entrada del fluido máximo en el límite conforme el área se aproxima al infinito.
En el caso del flujo paralelo, un área infinita solo significa que la temperatura de ambos fluidos sería la lograda si se permitiera que ambos se mezclaran libremente en un intercambiador de tipo abierto.
Para dichos cálculos se encuentran expresiones aritméticas que expresan las transferencias de calor logradas por diferentes tipos de intercambiadores de calor.
Refrigeración
La refrigeración tiene por objetivo lograr aminorar la temperatura de un cuerpo por debajo de temperatura que existe en su cercanía alrededor.
La refrigeración se utiliza para la conservación de alimentos, aire acondicionado, procesos industriales etc.
Analizaremos dos de varios métodos de refrigeración:
Refrigeración por compresión de vapor
Consta de cuatro partes fundamentales: compresor, condensador, válvula o capilar de expansión, evaporador.
Se utilizan una sustancia refrigerante tal como el dióxido de carbono, amoniaco, freón o cloruro de metilo
El vapor saturado seco se comprime. El vapor sobrecalentado se enfría y condensa, a presión constante, hasta que se convierte en líquido mediante enfriamiento por aire o agua, por ejemplo.
El líquido se expande irreversiblemente a través de una válvula o capilar de expansión.
El líquido (con algo de vapor) entra en el evaporador o cámara de refrigeración, donde se evapora, absorbiendo el calor de la cámara de refrigeración.
El refrigerador de absorción de vapor
La diferencia fundamental entre el frigorífico de absorción de vapor y el de compresión de vapor es el método empleado para comprimir la sustancia refrigerante.
Si el compresor se reemplaza por el absolvedor, generador y bomba se obtiene un frigorífico de absorción de vapor.
El principio de funcionamiento de esta máquina es como sigue:
- La sustancia refrigerante (generalmente NH3) entra en el absolvedor en estado gaseoso y allí se disuelve en el disolvente (generalmente agua) desprendiendo calor.
- Esto reduce el volumen del NH3, pero no altera su presión. Para elevar la presión, la disolución acuosa de amoniaco se hace pasar a través de una bomba, donde se realiza el trabajo W sobre el fluido.
- Este trabajo es considerablemente menor que el requerido para comprimir el NH3 gaseoso en una máquina de compresión de vapor, ya que al disolver el NH3 en agua se ha reducido considerablemente su volumen.
- Después de dejar la bomba, la disolución acuosa de amoniaco entra en el generador donde recibe calor Qg y el amoniaco se desprende de la disolución. La disolución diluida de NH3 regresa al absolvedor para completar el ciclo.
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.
Coeficiente superficial de transmisión del calor
Se define el Coeficiente superficial de transmisión de calor h [W/m2 ºK], también llamada coeficiente de película o conductancia superficial, como el parámetro que relaciona el flujo de calor Q [W/m2] entre una superficie y el ambiente como función lineal de la diferencia de temperatura superficie-aire [ºK], tal como es utilizado en la Ley de enfriamiento de Newton:
Q = h · D T [W/m2]
Como objetivo en esta etapa inicial del trabajo se pretende determinar el valor del Coeficiente superficial de transmisión del calor h tal como se emplea en cálculos simplificados, tales como el cumplimiento de Normas Técnicas, en los que se considera la transmisión global de calor que intercambia la superficie con el entorno mediante convección y radiación, considerando un régimen estacionario sin soleamiento y con las superficies del entorno a la misma temperatura del aire.
Los parámetros fundamentales que se utilizan para el cálculo simplificado del valor del coeficiente h son la dirección del flujo de calor y la velocidad del aire, este último factor referido únicamente a ambientes interiores con el aire casi en reposo y ambientes exteriores con viento con una velocidad de proyecto típica de invierno, la cual se suele considerar en torno a 3 m/s (12 Km/h). No se consideran otros factores que influyen en el proceso físico de transmisión de calor como la rugosidad de la superficie, la magnitud del salto térmico, el tamaño de la superficie, la velocidad exacta del aire y la emitancia de la superficie, por tratarse de un cálculo aproximado.
En la practica se suele utilizar el coeficiente de resistencia térmica superficial, que el recíproco del coeficiente superficial de transmisión del calor, referidos a superficies exteriores (Rse=1/he) e interiores (Rsi=1/hi), y cuyos valores se suelen obtener experimentalmente. A continuación se muestran los valores de la resistencia térmica superficial propuestos por la norma española NBE-CT-79:
Valores de resistencia térmica superficial propuestos por [NBE-CT-79]
Se observa como el valor de la resistencia térmica superficial es reducido en aquellas condiciones que favorecen la convección, como son el flujo de calor ascendente (convección natural) y la influencia de viento al exterior (convección forzada).
En los cálculos de transmisión de calor entre ambientes (conducción aire-aire) los valores de la resistencia superficial se incorporan a la resistencia del cerramiento, como una resistencia en serie más, mediante la expresión:
De esta ecuación es sencillo deducir el salto térmico entre el aire y la superficie, de interés para comprobar el riesgo de condensaciones superficiales en superficies interiores en invierno:
Resistencia térmica de cámaras de aire
La transmisión del calor a través de una cámara de aire en un cerramiento es similar a la suma de las resistencias superficiales de las dos superficies interiores enfrentadas, siendo prácticamente proporcional a la diferencia de sus temperaturas, aunque a los procesos de convección natural y radiación se suma la conducción a través del aire y el efecto de la convección confinada en un espacio cerrado, sobre todo cuando el espesor de la cámara es pequeño.
Para cámaras de aire continuas con aire en reposo construidas con materiales constructivos corrientes (emitancia alta) la norma española NBE-CT-79 propones los siguientes valores:
Valores de resistencia térmica de cámaras de aire según [NBE-CT-79]
Estos valores se incorporan como una resistencia en serie mas para el cálculo de la resistencia térmica total del cerramiento, y se aplica de manera similar a los casos anteriores. Se observa que la resistencia térmica disminuye cuando el flujo es ascendente (convección natural), cuando el espesor es muy pequeño (incremento de la conducción) o cuando el espesor es muy grande (incremento de la convección libre), siendo el espesor optimo de unos 5 cm.
Cuando la cámara tiene un espesor variable o cuando el aire no está en reposo por tratarse de una cámara ventilada, la estimación de su resistencia térmica es mucho más compleja. La introducción de un flujo de aire en la cámara, generalmente procedente del exterior, provoca fenómenos de transferencia de calor arrastrado por el caudal de aire introducido, el cual sufre una variación de temperatura en su recorrido, provocando además un incremento de la convección forzada, e incluso diferencia locales de temperatura en la cámara según la proximidad a las tomas de entrada del aire exterior, por lo que estos casos precisan de un estudio específico de excede al campo del presente trabajo.
Una tubería de acero al carbono de 2 pulgadas (DN) (Di= 2.067 pulgadas), (Do= 2.38 pulgadas, K= 25 BTU/h.ft.ºF) y longitud 100ft, se usa para transportar vapor de agua saturada a 320ºF. La tubería está cubierta con una capa de aislante (K= 0.033 BTU/h.ft.ºF) y la pérdida de calor por pie lineal de tubería es de 70 BTU/ft.h. Calcular el flujo de vapor si la capa es de ½ pulgada, la temperatura ambiente es de 80ºF y la superficie del Aislante está a 135 ºF.
Solución:
K tubería = 25 BTU/h.ft.ºF
To= 320ºF
K aislante = 0.033 BTU/h.ft.ºF
Q/L= 70 BTU/ft.h
Q= Calor transferido
Flujo de vapor
h= Entalpía del vapor saturado a 320ºF
Conclusiones y Recomendaciones
Para una descripción cuantitativa de los fenómenos térmicos, es necesaria una definición cuidadosa de conceptos como: temperatura, calor y energía interna. Para entender el concepto de temperatura es útil definir dos frases usadas con frecuencia, contacto térmico y equilibrio térmico. Para comprender el significado de contacto térmico, basta imaginar dos objetos situados en un recipiente aislado de manera que interactúen entre sí pero no con el resto de mundo. Si los objetos están a diferentes temperaturas, entre ellos se intercambia energía, aun cuando no estén en contacto físico. El calor es la transferencia de energía de un objeto a otro como resultado de una diferencia de temperatura entre los dos. El equilibrio térmico es una situación en la que dos objetos en contacto térmico dejan de intercambiar energía por el proceso de calor ya que los dos alcanzaron la misma temperatura. Los termómetros son instrumentos que se usan para medir temperaturas, todos están basados en el principio de que alguna propiedad física de un sistema cambia conforme cambia la temperatura del sistema; algunas de esas propiedades son: el volumen de un líquido, la longitud de un sólido, la presión de un gas, la resistencia eléctrica de un conductor, entre otras. Los termómetros más comunes constan de una masa de líquido (mercurio o alcohol) que se expande dentro de un tubo de vidrio capilar cuando se calienta. La energía interna es toda aquella energía de un sistema que está asociada con sus componentes microscópicos (átomos y moléculas) y que se relaciona con la temperatura de un objeto. Cuando se calienta una sustancia, se le está transfiriendo energía al ponerla en contacto con un ambiente de mayor temperatura, el término calor se usa así para representar la cantidad de energía transferida. Es importante comprender la relación a la cual la energía se transfiere y los mecanismos responsables de la transferencia. Se conocen tres mecanismos de transferencia de energía; el proceso de transferencia de energía que está más claramente asociado con una diferencia de temperatura es la conducción térmica. Otro mecanismo es por convección, se ve cuando la transferencia es por el movimiento del medio que puede ser aire o agua y el movimiento es por cambios en la densidad. La tercera forma de transferir energía es radiación. Todos los objetos radian energía continuamente, un cuerpo que está más caliente que sus alrededores radia más energía de la que absorbe, en tanto que un cuerpo que está más frío que su alrededor absorbe más energía de la que radia. Las conclusiones que podemos al estudiar el calor y la energía son:
1.- El calor se transfiere en forma de energía 2.- El calor se transfiere de un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor temperatura
3.- La energía se transfiere por tres mecanismos: conducción, convección y radiación 4.- La temperatura es la medida de la energía interna de un sistema.
5.- La temperatura se puede medir con los termómetros y no con sensaciones térmicas.
Recomendaciones para evitar el recalentamiento de artefactos eléctricos aplicando los principios de transferencia de calor:
- Utilizar placas (preferiblemente de aluminio) que estén en contacto con los circuitos eléctricos de manera que pueda ocurrir una transferencia por conducción.
- Utilizar un extractor de manera que haya una transferencia por conducción debido a que el calor va a ser transferido de los componentes electrónicos hacia el aire y este será extraído por el extractor.
- Con respecto a la transferencia por radiación no es posible hacerla en este tipo de mecanismo.
- "Transferencias de Calor Aplicada a la Ingeniería", Editorial Limusa, James R. Welty, primera edición.
- "Termodinámica Aplicada", Editorial McGraw – Hill, primera edición.
- "Termodinámica Aplicada", Editorial Ediciones URMO, R.M. Helsdon, primera edición.
Lugo Lugmar
Claudio Márquez
Estudiantes de Petróleo
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