Convención

Concepto

La convección es la transferencia de calor por medio del movimiento de una masa fluida,

tal como el aire o el agua. Cuando estos se calientan se mueven hacia fuera de la fuente

de calor, transportando consigo la energía.

Características

Este tipo de mecanismo de transferencia de energía se caracteriza por estar acompañado

de movimiento macroscópico de materia. Se establece en general entre un sólido y un

fluido en contacto.

El movimiento de fluido puede estar provocado por las variaciones de densidad del fluido

debido a las diferencias de temperatura en su seno, este caso se conoce como de

convección natural. Si la pared está más caliente el fluido en contacto con ella también

eleva su temperatura por sobre el resto del fluido. Esto genera una diferencia de densidad

que da lugar al movimiento del fluido. El fluido caliente se desplaza hacia arriba y es

reemplazado por el más frío. Si la pared está más fría, ocurre el proceso inverso.

Sobre el fluido en contacto con la pared, actúan las siguientes fuerzas:

El peso, P (descendente)

El empuje, E (ascendente)

La fuerza viscosa, Rv, que se opone al sentido del movimiento y crece al aumentar

la velocidad.

Si la temperatura de la pared y consecuentemente del fluido en contacto con la pared, es

superior a la del resto el fluido, el empuje es superior al peso y el fluido en contacto con la

pared asciende y viceversa.

La velocidad con que se desplaza el fluido en contacto con la pared, es aquella para la

cual, la fuerza viscosa equilibra a la resultante del peso y el empuje. El flujo calórico

transferido dependerá de las características del fluido y del salto térmico entre la pared y

el fluido.

Cuando el movimiento del fluido, es generado por una fuerza externa (Una bomba o un

ventilador) se está en presencia de convección forzada. En convección forzada de pueden

alcanzar flujos calóricos superiores a los que se da en convección natural. En este caso

el flujo calórico transferido dependerá de las características del fluido, de la geometría (Si

es un conducto cilíndrico, del diámetro) y en alto grado de la velocidad tangencial del

fluido respecto de la pared.

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 fluido estanco o un cuerpo en cualquier

estado de agregación, y θ es la temperatura del fluido convectivo.

Para entender mejor esta ecuación se sugiere analizar los casos de aplicación.

Utilización ó aplicaciones

La convección influye marcadamente en la transferencia de calor de tubos y líneas de

transmisión, así como de varios dispositivos electrónicos. La convección es importe

también para transferir calor de calentadores de zócalo eléctrico o de radiadores de vapor

para aire ambiental y para disipar calor del serpentín de una unidad de refrigeración al

aire de los alrededores. Es asimismo relevante para las ciencias ambientales, donde es

responsable de los movimientos oceánicos y atmosféricos, así como de los procesos

relativos de transferencia de calor.

Ejemplo aplicado

Por una tubería de plástico (K = 0.5 W/mK) circula un fluido de modo que el coeficiente de

transferencia de calor por convección es 300 W/m2K. La temperatura media del fluido es

100°C. La tubería tiene un diámetro interno de 3 cm y un diámetro externo de 4 cm. Si la

cantidad de calor que se transfiere a través de la unidad de longitud de tubería por unidad

de tiempo es 500 W/m, calcular la temperatura de la superficie exterior de la tubería.

Hallar el coeficiente de transferencia térmica global U basado en el área de la superficie

exterior de la misma.

Radiación

Concepto

La radiación es la energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura

finita. La energía del campo de radiación es transportada por ondas electromagnéticas (o

alternativamente, fotones).

Características

Todo cuerpo que posea una temperatura superior al cero absoluto, emite radiación

electromagnética, la cual se conocer como radiación térmica. No importa el estado de la

materia: sólido, líquido o gas, en todos los casos emite radiación térmica. En ingeniería es

de especial interés el intercambio de calor por radiación térmica entre 2 superficies sólidas

a través de un medio no participativo.

Es una transmisión (emisión y recepción) de energía por medio de ondas

electromagnéticas:

- No necesita de medio material, es decir, se propaga incluso en el vacío.

- Está caracterizada por una determinada longitud de onda, por ejemplo:

- radiación ultravioleta: 0´01 a 0´38 μm

- radiación visible: 0´38 a 0´79 μm

- radiación infrarroja: 0´79 a 1000 μm

- Las sustancias pueden emitir radiación en distintas longitudes de onda y, por otra parte,

ser atravesadas o no por radiaciones de determinadas longitudes de onda.

- Todos los objetos emiten energía radiante en una mezcla de longitudes de onda y, por

otra parte, están expuestos a la radiación que les llega de los demás objetos.

- La emisión y recepción de radiación depende de la naturaleza de la sustancia, de su

temperatura, del estado de su superficie y, en los gases, de su presión y del espesor de la

muestra.

- Los cuerpos a bajas temperaturas emiten ondas largas, es decir, emiten microondas o

radiación infrarroja. Los cuerpos a mayor temperatura llegan a emitir luz visible o radiación

ultravioleta (ondas cortas).

- Cuando la radiación incide sobre una sustancia, parte de la energía es absorbida,

aumentando la energía interna de dicha sustancia, y el resto es reflejada o transmitida.

- En los sólidos la parte absorbida se transmite rápidamente hacia su interior, por lo que

sólo interviene en el fenómeno una capa superficial. En los gases y en algunos líquidos la

absorción es mucho menor, y entonces interviene todo su volumen.

- Las plantas se comportan de igual manera que el resto de materiales frente a la

radiación solar. Así, por ejemplo, las hojas del manzano absorben el 80% de la radiación

que les llega, reflejando un 10% y transmitiendo otro 10%.

Cualquiera que sea la naturaleza de los materiales de las paredes interiores de la

cavidad, la densidad de energía de la radiación en el interior de la cavidad depende

exclusivamente de la temperatura de las paredes, mientras que la densidad espectral de

energía depende exclusivamente de la temperatura y de la longitud de onda.

Utilización ó aplicaciones

Aplicación de la Transferencia de Calor por Radiación en la Agroindustria: La utilización

de la radiación térmica en la agroindustria se ha dado en:

Calentamiento de Alimentos por Microondas.-En la cocción ordinaria, el calor transfiere al

alimento por conducción, convección. Por otro lado, cuando los alimentos se calientan

utilizando microondas, la energía se enlaza directamente al alimento en forma de

radiaciones electromagnéticas a frecuencias de microondas, de modo que la absorción de

energía y el calentamiento consecuente se llevan a cabo de todos los puntos del alimento.

Como resultado, la conducción de calor por todo el alimento no constituye el modo

principal de calentamiento, de manera que este es muy rápido.

Hornos de Procesos: Un horno de proceso es un equipo constituido por un cerramiento

metálico revestido interiormente por una pared refractaria aislante, dentro del cual se

dispone un serpentín tubular por el que circula un producto que se desea calentar y/o

evaporar a través del calor liberado por un combustible sólido, líquido o gaseoso que se

inyecta convenientemente al horno. En el quemador se produce la reacción de

combustión que genera una masa de gases calientes que son los productos de

combustión. Estos gases entregan calor por radiación al serpentín y salen por la

chimenea. Por otro lado, del calor liberado en la combustión, una parte es aprovechado

en el calentamiento del producto y una parte se pierde en la chimenea y las paredes.

Calentamiento y evaporación en el proceso de secado de los grnaos y otros productos

agrícolas: Mediante el uso de un colector solar, se puede aprovechar la radiación solar.

Este elemento transforma la radiación solar en energía para calentar el aire. El

funcionamiento básico del colector solar, que se emplea para generar pequeños

aumentos de la temperatura del aire, consiste en recibir la radiación solar que incide en la

superficie externa del colector, hecha de material transparente, generalmente vidrio o

plástico. La radiación solar que atraviesa la película transparente del colector incide en

una superficie, que se denomina absorbedora, y aumenta su temperatura. El flujo de aire

calentado por contacto con esa superficie se puede aprovechar en el secado de productos

agrícolas.

Ejemplo aplicado

En un horno de 1 m3, las paredes verticales están hechas de un material aislante. La

resistencia eléctrica fue colocada en la superficie inferior produce una potencia total de 60

W siendo su temperatura 328 K. Determine la temperatura de la cara superior del horno.

Conducción

Concepto

Se denomina conducción calorífica al mecanismo de transferencia de energía que tiene

lugar mediante el intercambio de energía cinética entre las partículas (iones, moléculas,

átomos, etc.) de dos sistemas en contacto directo, o de dos partes de un mismo sistema a

distinta temperatura. Es, por tanto, una transferencia de energía desde una partícula a

otra a través de un medio material, pero sin desplazamiento de éste.

Características

Puede ocurrir en sólidos y fluidos, siendo los sólidos metálicos los mejores conductores

del calor. Consideraremos únicamente la conducción en régimen estacionario y en medios

homogéneos, de forma que dicha conducción ocurre en una sola dirección. El ejemplo

típico es la conducción de calor a través de una superficie sólida, cuyas superficies se

encuentran a distintas temperaturas.

Siempre que existe un gradiente de temperaturas en un medio sólido, el calor fluirá desde

la región con mayor temperatura a la región con menor temperatura. La Ley de Fourier

indica que potencia calorífica que se transfiere por conducción qk es proporcional al

gradiente de temperatura y área a través de la cual se transfiere el calor:

Donde k es la constante de proporcionalidad llamada conductividad térmica y refleja las

propiedades conductoras del material; el signo negativo indica que cuando la temperatura

aumenta con la posición, el calor fluye hacia regiones de menor temperatura.

Utilización ó aplicaciones

Calcular las pérdidas de calor de 1m de una tubería no aislada con diámetro d1/d2 =

150/165 mm tenía al aire libre cuando por el interior de ésta corre agua con una

temperatura media T1 = 90°C y la temperatura ambiente Ta = -15°C. El coeficiente de

conductividad térmica del material del tubo es K = 50 W/m°C. El coeficiente de

transferencia de calor para el agua y el tubo es 1000 W/m2°C y el del tubo y el ambiente

es 12 W/m2°C. Determinar también las temperaturas en las superficies interior y exterior

del tubo.

Ejemplo aplicado

Calcular las pérdidas de calor de 1m de una tubería no aislada con diámetro d1/d2 =

150/165 mm tenía al aire libre cuando por el interior de ésta corre agua con una

temperatura media T1 = 90°C y la temperatura ambiente Ta = -15°C. El coeficiente de

conductividad térmica del material del tubo es K = 50 W/m°C. El coeficiente de

transferencia de calor para el agua y el tubo es 1000 W/m2°C y el del tubo y el ambiente

es 12 W/m2°C. Determinar también las temperaturas en las superficies interior y exterior

del tubo.

Ley de Stefan Bolztman

Concepto

Cualquier cuerpo a una temperatura, T, en equilibrio térmico, emite una cantidad de

radiación que, por unidad de tiempo, viene determinado por:

Características

La radiación que emitiría un cuerpo negro puede aproximarse con la precisión deseada

por la radiación emitida a través de un agujero pequeño practicado en una cavidad (que

está a una temperatura inferior a la temperatura de fusión del material que forma las

paredes de la cavidad).

En cada una de las reflexiones en su interior se absorbe una parte de la luz, y después de

las múltiples reflexiones, toda la energía que penetró por el orificio ha sido virtualmente

absorbida, de esta forma, el orificio de la cavidad se comporta como un cuerpo negro

ideal.

Por tanto, la luz que sale por el agujero de la cavidad es una radiación de cuerpo negro.

La emisividad y la potencia irradiada por un cuerpo negro, o por el agujero de la cavidad,

son independientes del material que forma sus paredes interiores.

Utilización y aplicaciones

Una aplicación práctica está en los termos utilizados para mantener la temperatura de los

líquidos como el café. Un termo tiene dobles paredes de vidrio, habiéndose vaciado de

aire el espacio entre dichas paredes para evitar las pérdidas por conducción y convección.

Para reducir las pérdidas por radiación, se cubren las paredes con una lámina de plata

que es altamente reflectante y por tanto, mal emisor y mal absorbedor de radiación.

Ejemplo aplicado

Una estufa cilíndrica de 1,4 m2 de superficie exterior a 75ºC y emitancia=0.9 se halla en

medio de una gran habitación con superficies a 22ºC. (s =5.67x10-8 W/m2 ºK4)

è Describir el proceso de intercambio de radiación y en que longitud de onda se realiza.

è Calcular la irradiación neta intercambiada.

La estufa es una pequeña superficie que emite radiación calorífica de onda larga

(Infrarrojo lejano) por estar casi a temperatura ambiente (75ºC). La estufa también

absorbe radiación infrarroja procedente del entrono, con menor intensidad al estar más

frío (22ºC).

El flujo neto intercambiado se calcula como un caso simplificado de la ecuación general

de la Ley de Stefan-Boltzmann entre superficies grises, cuando el área A1 de la estufa es

despreciable respecto al área A2 mucho mayor de la habitación (A1/A2 = 0):

Q = s x e 1 x (T14 - T24) = 5.67x10-8 x 0.9 x [(273 + 75)4 -( 273 + 22)4 ] = 362 W/m2

P = Q x S = 362 W/m² x 1.4 m² = 506.8 W Emitidos por radiación infrarroja.

La longitud de onda de máxima intensidad de la radiación emitidad por la estufa se puede

calcular por la Ley de Wien:

l Imax = 2.9 x 10-3 / TºK = 2.9 x 10-3 / (273 + 75) = 8.33 x 10-6 m = 8.33 m m

Referencias

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Recuperado en línea el día 16 de febrero del 2014 en:

http://tesis.bnct.ipn.mx/dspace/bitstream/123456789/9708/1/217.pdf

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