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TEMA 1.- Principios básicos

CONTENIDOS DEL TEMA

1.1 Objetivos del tema1.2 Mecanismos de transmisión de calor1.3 Coeficientes individual y global 1.4 Diferencia media de temperatura1.5 Medida de la temperatura


OBJETIVOS

1. Enumerar al menos diez situaciones en las que se produzca transferencia de calor

2. Explicar el significado de términos como: calor, conducción, convección, radiación, coeficiente individual de transmisión de calor, coeficiente global de transmisión de calor, flujo en contracorriente, flujo en paralelo, perfil de temperatura, resistencia térmica

3. Conocer el principio de funcionamiento y el intervalo de aplicación de cuatro instrumentos de medida de temperatura

1.1 ¿Qué es el CALOR ?

Primer Principio de la Termodinámica:∆U = q + w

Es una forma de transmisión de energía desde un sistema a los alrededores, o entre dos sistemas, que surge como consecuencia de una diferencia de temperaturas

Fuerza impulsora: diferencia de temperaturas

q |=| Energía/Tiempo=J/s = W

TTcaliente TTfríocaliente frío

Estudio de procesos de transmisión de calor:

Dos aspectos complementarios:

-Cantidad de energía aportadaBalance de energía (1er Principio Termodinámica)

-Tiempo necesario para transmitir ese calorFenómenos de transporte

q |=| Energía/Tiempo=J/s = W

Algunos procesos industriales con transmisión de calor

1. Aporte o eliminación de calor con la velocidad deseada. En columnas de destilación (calderín o ebullidor, condensador)En reactores químicos

2. Recuperación de calor entre corrientes

3. Producción de calor: en hornos, calderas… a partir de combustibles, líquidos, sólidos o gaseosos.

Procesos complejos Métodos semiempíricos

1.2 Mecanismos de transmisión de calor

CONDUCCIÓN: Transporte molecular

CONVECCIÓN: Transporte asociado a un flujo de materia

RADIACIÓN: Radiación electromagnética centrada en el infrarrojo

1.2 Mecanismos de transmisión de calor

1.2.1 ConducciónSin desplazamiento global de la materia en la dirección de transmisión en sólidos y en fluidos en reposo o con régimen laminar.

- Transporte molecular- Necesita un medio material continuo - Formas de transmisión: Vibración de moléculas

Transporte de electrones

qTTcalientecaliente TTfríofrío

xT·A·kq x ∂∂

−=

1.2.1 Conducción

El flujo de calor por conducción está descrito por la Ley de Fourier:

- Flujo de calor proporcional al gradiente de temperaturas- Constante de proporcionalidad: Conductividad

k |=| W/(m·K)

Conducción en fluidos con flujo laminar

En la dirección perpendicular al flujo el calor se transmite porconducciónEn la dirección del flujo la conducción es despreciable frente a la convección

xT·A·kq x ∂∂

−=

q qq q

Perfil velocidad Perfil temperatura

Con flujo turbulento: transporte convectivo también en la dirección perpendicular al flujo debido a los remolinos

Variables:

TemperaturaGeometría y masa del cuerpoPropiedades físicas → Conductividad térmica (k)

k Metales = 1000 k no metales y líquidos= 10000 k gases

1.2.2 Convección

Transmisión de calor debido al movimiento de un fluido

Convección natural: el movimiento del fluido está originado por la diferencia de densidades(diferencia de temperaturas)

Convección forzada: flujo provocado por un elemento externo (bomba, compresor...)

1.2.3 Radiación

Transporte de energía radiante (radiación electromagnética)No requiere de medio material (Vacío)

R

A

I

TCALOR

I = R + A + T

El calor radiado por un cuerpo caliente es proporcional a T4

(Mecanismo importante a temperaturas altas)

1.2.4 Mecanismos simultáneos

Frecuentemente varios mecanismos de transmisión de calor ocurrensimultáneamente

Ejemplo: Caldera

Calentamiento de los tubos por los gases de combustión calientes: RADIACIÓN

Transmisión de calor a través de las paredes de los tubos: CONDUCCIÓN

Calentamiento del fluido que circula por los tubos: CONVECCIÓN

Agua

Vapor

Gas

es c

ombu

stió

n ca

lient

es

1.3. Coeficiente individual y global de transmisión de calor

q = flujo de calor (calor transmitido por unidad de tiempo), W

A = área disponible para el flujo de calor, m2

∆T = diferencia de temperaturas, ºChi = coeficiente individual de transmisión de

calor, W/m2·ºC

hi = f(T, mecanismo de T.Q., props. del material, geometría, dinámica del fluido)

Flujo de calor en un medio

En general: q = hi·A·∆T

Ejemplo: Transmisión de calor a través de distintos materiales

∆T1 ∆T3

q

∆T2

T1 T3

h1 h2 h3

Tw1 Tw2

Medio 1 Medio 2Medio 3 Medio 1 → h1, A1, ∆T1

Medio 2 → h2, A2, ∆T2

Medio 3 → h3, A3, ∆T3

∆T1 = T1 –Tw1

∆T2 = Tw1 - Tw2

∆T3 = Tw2 - T3

Tw1,Tw2 generalmente desconocidas

Ejemplo: Transmisión de calor a través de distintos materiales

En régimen estacionario → q1 = q2 = q3 = q

q1 = h1·A1·∆T1 →

q2 = h2·A2·∆T2 →

q3 = h3·A3·∆T3 →

Si A1=A2=A3 →

111 h

1·AqT =∆

222 h

1·AqT =∆

333 h

1·AqT =∆

++=∆+∆+∆=∆

321321total h

1h1

h1·

AqTTTT

1.3. Coeficiente individual y global de transmisión de calor

++=

321

1111hhhU

==∆

U1·

AqTtotal →

∑ Ri (resistencias)Si A1 ≠ A2 ≠ A3 → U basado en una de las áreas

=∆

11total U

1·AqT

++=

33

1

22

1

11 h1·

AA

h1·

AA

h1

U1→

Ec. de diseño: q = U·A·∆T

U : coef. global de TQ., W/m2·ºC

U = f(T, mecanismos de T.Q., props. de los materiales, geometría, dinámica del fluidos)

Resistencia controlante

++=

321

1111hhhU

Si h1 << h2,h3 (transferencia de calor más lenta en etapa 1)

1/h1 >> 1/h2, 1/h3

1U h

-El coeficiente de transmisión de calor global está determinado por la etapa más lenta (etapa controlante)

-Es tanto más importante conocer con precisión el valor de un coeficiente de transmisión de calor cuanto menor (más controlante) sea ese coeficiente

1.4 Diferencia media de temperaturas

q = U·A·∆T

A veces no es fácil decir cuál es la dif. de T entre los fluido

Ej.: Fluido caliente circulando por interior de tubFluido frío circulando por exterior de tubo

80 ºC 40ºC

10 ºC 25 ºC

70 ºC 15 ºC

q = U·A·∆Tm


Flujo en corrientes paralelas

Tij

Fluido Entrada/salida

T11 T12

T21

T22

G1

G2

∆T1 = T11-T21

∆T2 = T12-T22

T11

T21

T12

T22

∆T2∆T1

2

121

Lnm

TTLn

TTTT

∆∆∆−∆

=∆=∆


Flujo en contracorriente

T11 T12

T22 T21

G1

G2

∆T1 = T11-T22

∆T2 = T12-T21

T11

T21

T12T22

∆T1

∆T2

2

121

Lnm

TTLn

TTTT

∆∆∆−∆

=∆=∆


Flujo cruzado

T11 T12

T22

T21

G1

G2

Factor de corrección → ∆ Lnm T·FT ∆=

1.5 Medida de temperatura

1. Métodos basados en la dilatación térmica

2. Métodos eléctricos

3. Métodos basados en radiación térmica

1.5.1 Métodos basados en la dilatación térmica

Fundamento: dilatación del material con T- Termómetros de líquido en tubo de vidrio→ Dilatación de un líquido por efecto de T

Sustancia Intervalo de medida ºCMercurio -35 – +280 ºCPentano -200 – +30 ºCEtanol -80 – +60 ºCTolueno -90 – +50 ºC

Termómetros de bulbo y espiralBulbo en contacto con la variable a medir + Bourdon unidos por un capilarBourdon: tubo hueco construido en un material elástico que responde mediante un cambio de posición en su extremo cerrado

Líquido → Bourdon que responde a cambios de V por dilatación del líquido(mercurio, xileno, alcohol y éter)

Gas o líq. volátil → Bourdon que responde a cambios de P del gas(cloruro de metilo, éter dietílico, agua, tolueno, dióxido de azufre, ...)

Tiras bimetálicas

2 Láminas de distintos metales o aleaciones unidas mediante soldadura → Distinta dilatación → Encorvamiento

linealmente proporcional a T

Usos: sobre todo uso doméstico (termostatos hornos, lámparas vehículos...)

1.5.2 Métodos eléctricos

1. Termoresistencias y Termistores: Fundamento: variación resistencia eléctrica con TTermoresistenciasVariación lineal de la resistencia con T en un cierto intervalo de T: R = R0·(1+α·T)

Tipo Intervalo de medida ºCElemento metálico:CobreNíquelPlatino

TermistoresElemento semiconductor:Óxidos metálicosSilicio

-100 - +100-80 - +250-220 - +600

-100 - +160-160 - +160

(El más utilizado)

-Mayor sensibilidad-Variación exponencial de la resistencia con T

2.Termopares o pares termoeléctricos

Fundamento: efecto termoeléctrico → circulación de una corriente en un circuito cerrado formado por 2 metales diferente cuyas uniones se mantienen a diferente temperatura

Medida de F.E.M generada →F.E.M. ∝ diferencia de T entre uniones

Unión caliente (punto de medida)

Unión fría (de referencia)

Sistema de referencia (agua con hielo...)

Temperatura medida con termorresistencia

2 uniones

DesignaciónTipo de termopar Intervalo de medida ºCR Pt-13% Rodio/Pt -45 - +1750

S Pt-10% Rodio/Pt 50 - +1760

B Pt-30% Rodio/Pt-6% Rodio 0 - +1820

J Hierro / Cobre-Níquel (Constantán) -210 - +1200

T Cobre / Cobre-Níquel (Constantán) -210 - +900

E Níquel-Cromo/Cobre-Níquel -210 - +1000

K Níquel-Cromo/Níquel-Al 210 - +1372

1.5.3 Métodos basados en la radiación térmica(Pirómetros)

Fundamento: medida de T de los cuerpos a partir de la cantidad ynaturaleza de la E que radian.

Ventaja: Sin contacto físico

-Ópticos → se compara el brillo de un cuerpo incandescente con en el de una fuente de brillo determinada cuya T se conoce (sólo radiación en el visible)

-De radiación → miden el flujo de E emitida en un amplio intervalo de longitud de onda, concentrándola sobre un detector, que la traduce en voltaje. También puede medirse la T comparando las radiaciones monocromáticas correspondientes a 2 longitudes de onda.

1.5.4 Usos de cada tipo de medidor

Bimetálicos: Uso doméstico

Bourdon: Instrumentos antiguos

Dilatación térmica: Laboratorio. Instrumentos de referencia para calibrados

Termoresistencia: hasta 500-600ºC,precisión 0.1ºC

Termopar: hasta 1800-2000ºC, precisión 1-5ºC


OBJETIVOS

1. Enumerar al menos diez situaciones en las que se produzca transferencia de calor

2. Explicar el significado de términos como: calor, conducción, convección, radiación, coeficiente individual de transmisión de calor, coeficiente global de transmisión de calor, flujo en contracorriente, flujo en paralelo, perfil de temperatura, resistencia térmica

3. Conocer el principio de funcionamiento y el intervalo de aplicación de cuatro instrumentos de medida de temperatura

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