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Transferencia de calor por conduccion

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by

Carolina Oramas Santos

on 15 February 2015

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Transcript of Transferencia de calor por conduccion

EQUIPO 5
Amanda Hernandez Hernandez
Jesus Ignacio Hernandez Perez
Carolina Oramas Santos
Abraham Ramos Cruz

Conducción de calor
Ley de fourier y Transmisión de calor por conducción en diferentes
tipos de paredes
Ley de Fourier
Es fundamental en la transferencia de calor por conducción. Plantea que la cantidad de calor por conducción es proporcional al área, al tiempo y al gradiente de temperatura.
¿como estudiar la transferencia de calor por conducción en casos simples?

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE TABASCO
Carrera: Ingieneria Ambiental
4 Febrero 2015
Mecanismos de transmisión de calor
Calor Temperatura
Es importante saber la diferencia...
Son conceptos que en la vida cotidiana se confunden pero son muy diferentes.
Se define como la energía cinética total de todos los átomos o moléculas de una sustancia.

Es una transferencia de energía en transito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a menor temperatura,.
Es una medida de la energía cinética promedio de los átomos y moléculas individuales de una sustancia.

Es una magnitud física que se refiere a la sensación de frío o calor al tocar alguna sustancia
Cuando dos cuerpos que tienen distintas temperaturas se ponen en contacto entre si, se produce una "Transferencia de calor"
Se realiza por tres mecanismos físicos:
Convección
Conducción
Radiación
Escala atómica a través de la materia por actividad molecular.



Por movimiento de masa o circulación dentro de la sustancia.



Energia emitida por la mateiria que se encuentra a cierta temperatura. Desde la fuente al entorno.
OPERACIONES UNITARIAS
Facilitador: M.I.P.A. Rene Méndez Villagas
Mecanismo de transferencia de calor en escala atómica a través de la materia por actividad molecular.
El choque de unas moléculas con otras
Las partículas mas energéticas le entregan energía a las menos energeticas.
Un flujo de calor desde las temperaturas mas altas
a las mas bajas.
Mediante
Donde
Produciéndose
solidos
líquidos
gases
La conducción de calor sólo ocurre si hay una diferencia de temperaturas entre dos partes del medio conductor.
fuente internet: https://classtetica.wordpress.com/2014/03/19/el-calor-en-la-estetica/
fuente internet: https://classtetica.wordpress.com/2014/03/19/el-calor-en-la-estetica/
fuente internet: https://classtetica.wordpress.com/2014/03/19/el-calor-en-la-estetica/
Ejemplo 1:
Ejemplo 2:
Fuente internet: http://www.solucionesespeciales.net/Index/Noticias/374882-Precausiones-y-mitos-en-el-aislamiento-termico-de-nuestra-casa.aspx
La transmisión de calor por conducción
(Q)
es inversamente proporcional al espesor del cuerpo que atraviesa
(e)
y directamente proporcional a la diferencia de temperaturas
(T1-T2)
, a la superficie del cuerpo
(S)
y a una constante
(K)
denominada "conductividad térmica".
Calor por conducción
Superficie del cuerpo
La conductividad depende del material
Fuente Internet: http://www.empresaeficiente.com/es/catalogo-de-tecnologias/intercambiador-de-calor-sistemas-de-recuperacion#ancla
e
Espesor
Fuente internet: http://www.empresaeficiente.com/es/catalogo-de-tecnologias/intercambiador-de-calor-sistemas-de-recuperacion#ancla
Formula General
T1
T2
superficie
3.1416(D)(L)
Diámetro interior
Diámetro exterior
Espesor del tubo
Tc-Th
k
(depende del material)
T1
T2
k (depende del materia)
(e) Espesor
de ambos materiales
s?
El calor se transfiere en dirección del descenso de
la temperatura
Unidades
S=m2, t= K, e=m2, k=W/m*K
A
Bibliografía
Actividad
3-A
V
T
compuesta
Formula
Q
K
A
L
V
T
= Flujo de calor
= Conductividad térmica de los materiales
= Area de la transferencia
= Distancia de separación de los puntos de T
= Diferencia de temeperatura
HORNO DE PAN
Análisis:
En el sistema se llevan a cabo los 3 tipos de transferencia de calor:

CONDUCCIÓN
CONVECCIÓN
RADIACIÓN
"ESPECIFICACIONES DEL HORNO"

Funciona a Gas natural tipo LP
Fabricado con lámina Galvanizada
Espesor de 0.21mm
Peso del horno 1.649 Kg/m2
La cual es una aleación de Acero con Zinc
Paredes del horno: capa de lámina, una de fibra de vidrio y por último otra capa de lámina, con un espesor total de 4.5 cm.
fibra de vidrio
Nivel 1
Nivel 2
Nivel 3
paso 1
paredes
Pared plana sencilla
Pared plana compuesta
Cilindro hueco
Cilindro compuesto
Junto a paredes
paso 2
Medidas
Se debe de registrar las medidas de las paredes que se encuentran en contacto con el horno:

Grosor de la pared
Altura de la pared
Material de la pared
Se continua con la medidas del horno:

Largo del horno
Ancho del horno
Altura del pedestal del horno
Altura completa del horno
Medidas de las puertas de los diferentes niveles

Nivel 1,2,3
Largo
Alto
Calibre de la lamina
Paso 2
Registro de temperatura
El registro debe llevarse acabo en 2 momentos
Encendido
Apagado
Ingreso del gas (70%, 10%, 80% de la capacidad total)
Si el horno esta en contacto con paredes es necesario tomar datos:

Pared exterior (espalda al horno)
Pared interior (espalda al horno)
Pared exterior (lateral al horno)
Pared interior (lateral al horno)
Encendido
Apagado
Paso 3
Calculo de Ley de fourier
Se empieza por calcular la transferencia de calor en las paredes que están en pleno contacto con el horno, tomando de base la ley de Fourier.

Se calcula el área de contacto, sólo y específicamente en esta parte es donde el calor se transfiere por conducción debido al horno.


Se calcula la resistencia térmica
k= Conductividad térmica
x= Espesor de pared
R= Resistencia térmica

Se calcula la transferencia de calor en las paredes, tomando en consideración el tipo de pared (simple o compuesta) para este ejemplo tomaremos pared simple.
Pared exterior (espalda al horno)
Pared interior (espalda al horno)
Pared exterior (lateral al horno)
Pared interior (lateral al horno)
A= Largo x Ancho
R= x / k
niveles del horno
Para el análisis de la transferencia de calor en los niveles se debe de tomar en cuenta tanto el interior como el exterior, en un mismo análisis. Así se podrá saber cuánto calor se está transfiriendo por las puertas de los niveles el horno.
Temperatura
Apagado
Encendido
Nivel 1
Nivel 2
Nivel 3
Interior

Exterior
Interior

Exterior
Datos:
Largo
Calibre de la lamina
Alto
Grosor
Conductividad térmica de la lamina
Conductividad térmica del vidrio

Con los datos que se obtiene se procede a calcular el calor transmitido por unidad de tiempo o las dimensiones del sistema:

Q= Calor
t= Tiempo
k= Conductividad térmica
A= Área
T= Temperaturas
R= Resistencia térmica
X= espesor

Q/t=-A (T1-T2)/R
Transferencia de calor del horno a pared
Nivel de horno
Nivel 1
Nivel 2
Nivel 3
Como la pared es compuesta de fibra de vidrio y lámina galvanizada, se tienen que determinar los espesores de cada capa de la pared.

Espesor
Capas de lamina= 2
Espesor de lamina total = (# Capas) (Espesor de capa)
Espesor de fibra de vidrio = Espesor total - Espesor de lamina total


Así con estos datos se empieza a calcular la resistencia térmica de las paredes que conforman la pared del nivel 1, nivel 2 y nivel 3.

Calculó del área de la pared:
Área de la pared=largo x Alto

Se calcula la resistencia térmica de la fibra de vidrio (1) y de la lámina galvanizada (2) (se multiplica por dos pues son dos iguales y del mismo espesor).
(1) R= x/k
(2) R=2 (x/k)
k= Conductividad térmica
x= Espesor de pared
R= Resistencia térmica
La resistencia térmica total solamente se suma y es:
Resistencia total= Resistencia de lamina+ Resistencia de fibra de vidrio
formula para pared plana
Formula en base a unidad de tiempo
Q/A= K (T1-T2) / (X2-X1)
Formula en base a dimensiones del sistema
Con los datos que se obtiene se procede a calcular el calor transmitido por unidad de tiempo o las dimensiones del sistema:

Q= Calor
t= Tiempo
k= Conductividad térmica
A= Área
T= Temperaturas
R= Resistencia térmica
X= espesor

Q/t=-A (T1-T2)/R
Formula en base a unidad de tiempo
Q/A= K (T1-T2) / (X2-X1)
Formula en base a dimensiones del sistema
Transmisión en paredes por conducción
Generador de vapor
Para este caso el análisis se centra en:
Carcasa del generador
Una sección de la chimenea
Pared del cuarto donde se encuentra la maquina
Para el análisis de la pared necesitamos:
Ancho de pared
Largo de la pared
Alto de la pared

Considere el cilindro hueco de la figura, con radio interior r1, donde la temperatura es T1; un radio externo r2 a temperatura T2 y de longitud L, cuyas superficie externa e interna se exponen a fluidos de diferente temperaturas. Para condiciones de estado estacionario, sin generación interna de calor, la ley de Fourier en coordenadas cilíndricas se expresa como:

La transferencia de calor en las industrias de proceso suele ocurrir a través de cilindros de capas múltiples, como sucede cuando se transfiere calor a través de las paredes de una tubería aislada.

La figura muestra una tubería con dos capas de aislamiento a su alrededor; es decir, un total de tres cilindros concéntricos. La disminución de temperatura es T1-T2 a través del material A, T2-T3, a través de B y T3-T4 a través de C.

FUENTE INTERNET: HTTP://OCWUS.US.ES/ARQUITECTURA-E-INGENIERIA/OPERACIONES-BASICAS/CONTENIDOS1/TEMA7/PAGINA_06.HTM
FUENTE: HTTP://OCWUS.US.ES/ARQUITECTURA-E-INGENIERIA/OPERACIONES-BASICAS/CONTENIDOS1/TEMA7/PAGINA_06.HTM
FUENTE: HTTP://OCWUS.US.ES/ARQUITECTURA-E-INGENIERIA/OPERACIONES-BASICAS/CONTENIDOS1/TEMA7/PAGINA_06.HTM
FUENTE: HTTP://OCWUS.US.ES/ARQUITECTURA-E-INGENIERIA/OPERACIONES-BASICAS/CONTENIDOS1/TEMA7/PAGINA_06.HTM
OBJETIVO
Introducción
Antecedentes
Identificar la transferencia de calor por conducción mediante la ley de Fourier para tener las herramientas necesarias en la solución de problemas que se puedan presentar en la vida cotidiana o industrial.
Contenido
FUENTE: HTTP:/WWW.AQUABEDARA.COM/PRODUCTOS/GENERADORESVAPOR.PHP
CAMARA DE REFRIGERACIóN
Introducción
Antecedentes
Mecanismo de transferencia de calor
Conducción de calor
Ley de Fourier
Conducción de calor en diferentes tipos de paredes






Casos simples de transmisión de calor por conducción
Pared plana sencilla
Pared plana compuesta
Pared cilindro simple
Pared cilindro compuesto
Paredes en paralelo simple
Paredes en paralelo compuesto
PIONEROS
Jean Baptiste Biot
1774-1862
1768-1830
1749-1827
1781-1840
1797-1872
1870 - 1954
1892-1975
Formuló las leyes de la conducción térmica




Jean Baptieste Joseph Fuerier
En 1804
basadas en investigación empírica.

Con Savart en 1820

que la fuerza magnética debida a una corriente podría ser expresada matemáticamente
(Ley de Biot-Savart).
mostro
Estudio
La teoría matemática de la transmisión de calor por conducción.
la ecuación diferencial y resolviéndola usando infinitas series de funciones trigonométricas
Estableciendo
Series de Fourier
hoy conocidas
como
En 1822 publicó
“Théorie analytique de la chaleur”.
Pierre Laplace
Con Lavoisier, cuya teoría del “calórico” compartía:
El calor específico de varias sustancias
determino
En 1783
Sugirió
Que la trasnmisión de calor se debía al movimiento de moléculas en la materia
La ecuación denominada de Laplace es una de las que rigen el fenómeno de transmisión de calor por conducción.
Siméon-Dennis Poisson
Poisson aplicó las matemáticas a diferentes campos de la física, formulando la extensión de la ecuación de Laplace conocida como ecuación de Poisson.
Jean Marie Constant Duhamel
Trabajó con ecuaciones diferenciales y aplicó sus métodos a la teoría de la transmisión de calor.

Su teoría de la transmisión de calor en estructuras cristalinas

se bazo en las teorias de
Fourier Poisson
El principio de Duhamel es consecuencia de sus trabajos sobre la distribución del calor en un sólido en condiciones de contorno variables.
Horatio Scott Carslaw
Carslaw fué profesor de matemáticas en la Universidad de Sydney.

Su línea de investigación fué la resolución teórica de la transmisión de calor por conducción.
Ernst Schmidt
Schmidt fué un científico alemán pionero en el campo de la ingeniería termica.

Entre sus publicaciones está el método de resolución gráfica en conducción "Graphical Difference Method for Unsteady Heat Conduction“

Es uno de los propulsores del desarrollo de las tablas de magnitudes térmicas del vapor de agua.
La transferencia de calor se verifica debido a la fuerza impulsora debido a una diferencia de temperatura.
El calor fluye de la región de alta temperatura a la de temperatura más baja.
La transferencia de calor, es el modo microscópico de trabajo
La energía es transferida a través de la frontera de un sistema debida a una diferencia de temperatura
donde
La temperatura una propiedad macroscópica
Siendo
Relacionar la transferencia de energía a nivel molecular
Permite
EL PRESENTE TRABAJO ESTA CONFORMADO
POR TRES ETAPAS
Antecedentes históricos, conceptos básicos y ejemplos para identificar las variables involucradas en la T. de calor por conducción.

Transmisión de calor por conducción en diferentes tipos de paredes y la ley de fourier.


la transferencia de calor por conducción en caso simples que se presentan en el sector productivo
La ley de Fourier será utilizada para resolver este problema:


Análisis de la chimenea
Material de la pared
Conductividad térmica de la pared
Fuente internet: http://www.solostocks.com/venta productos/generadores/otros-generadoresgenerador-de-vapor-6213595
Cilindro
Temperaturas encendido y apagado
Diámetro
Largo (L)
Espesor
R interior (ri
R exterior (re)
Material del cilindro
Conductividad (k)
Se utiliza la ecuación para el flujo de calor en cilindros

q=2(3.1416)kL(T2-T1 )/ln(re/ri )

Para la resistencia térmica:
R=ln(rext/rint)/2(3.1416)πkL
Análisis del generador
En el generador de vapor se tienen los siguientes datos:
T2
T1
Diámetro
Largo
Espesor
ri
re
Tipo de materias
Conductividad

Se calcula la resistencia térmica del generador
R=ln(re/ri) )/2(3.1416)πkL
Se sustituye este valor de resistencia térmica en la ecuación para la transferencia de calor:
q=(T2-T1)/R
En el siguiente ejemplo, se analiza una cámara frigorífica ya que este tipo de sistemas generalmente están constituidos por capas de diferentes materiales, algunos más aislantes que otros, y por lo tanto es fácil determinar la transferencia de calor de una pared a otra mediante los respectivos cálculos utilizando la ley de Fourier.
Para el desarrollo de este caso de transferencia de calor por conducción, se analizan las cámaras de refrigeración
Frigoríficos
Carnicerías
Lecheras
Cerveceras
utilizadas en
Dos camas de refrigeración
una mas antigua que la otra
Ejemplo de
Capa de lámina de acero y sus respectivos muros
Cámara automatizada mucho más grande y esta si cuenta con un material aislante en su interior.
con el fin de
Ver qué diferencia existe cuando hay o no un material aislante.
PRIMER ANALISIS (CÁMARA DE REFRIGERACIÓN ANTIGUA)
Analizar sus dimensiones: altura, ancho y largo.
La temperatura interior y exterior
Material de sus paredes y la K.
Espesor de sus paredes (pared compuesta)
Superficie de la pared de la cámara de refrigeración
Se debe calcular la transferencia de calor a través del muro compuesto, para lo cual suponemos una transferencia de calor unidimensional.
DATOS
• El cálculo se realiza para toda la superficie de una pared lateral.
• La resistencia térmica equivalente queda representada por:

R1 =( ∆X1)/(K1 * A)
R2=(∆ X2)/(K2* A)
R3=(∆ X3)/(K3 * A)
RESISTENCIA
R Total = R1 + R2 + R3
Q=█( T1- T2 )/R
Para calcular la razón de transferencia de calor a través de la pared, se utiliza la fórmula:
SEGUNDO ANALISIS (CÁMARA DE REFRIGERACIÓN CON AISLANTE):
Superficie de una pared lateral
Temperatura interior de la cámara
Temperatura fuera de la cámara
Espesor de las paredes de la cámara de refrigeración
Espesor del aislante
Se debe calcular la transferencia de calor a través del muro compuesto, para lo cual suponemos una transferencia de calor unidimensional.

El cálculo se realiza para toda la superficie de una pared lateral.

La resistencia térmica equivalente queda representada:

Resistencia térmica de cada material:
R1=(∆ X1)/(K1 * A)
R2=(∆ X2)/(K2 * A)
R3=(∆ X3)/(K3 * A)
R4=(∆ X4)/(K4 * A)

Resistencia térmica total:
RT= R1+R2+R3+R4
Para calcular la razón de transferencia de calor a través de la pared, se utiliza la fórmula:


Q=(T1- T2)/R
Conclusión
A. Cengel, Transferencia de calor y masa, McGraw-Hill Interamericana Editores S.A. de C.V., 2007, 3° edición.
Jack P.Holman, Transferencia de calor, Derechos reservados en español: 1986, Compañía Editorial Continental S.A. de C.V. México, 1995, Sexta reimpresión.
James R. Welty, Transferencia de calor aplicada a la ingeniera, Editorial Limusa S.A. De C.V., 1981, 1° edición.
Donald Quentin Kern, Procesos de transferencia de calor, Compañía Editorial Continental S.A de C.V. México, 1984, 17° edición.
Transmisión de calor a través de paredes de geometría sencilla, [en línea], 2007, Dirección URL: http://ocwus.us.es/arquitectura-e-ingenieria/operaciones-basicas/contenidos1/tema7/pagina_06.htm
Lelu, Conducción de Calor, [en línea], 22 de noviembre 2013, Dirección URL: http://neetescuela.com/conduccion-del-calor/
Intercambiadores de Calor, [en línea], España, Dirección URL: https://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2012/442/41836/1/Documento23.pdf
Juan Inzuza, Mecanismos de Transferencia de calor, [en línea], Universidad de Concepción, Chile, Dirección URL: http://www.dgeo.udec.cl/~juaninzunza/docencia/fisica/cap14.pdf
1Dr. Andrés López Velásquez, Transferencia de Calor, [en línea], Universidad Veracruzana, México, Dirección URL: http://lopezva.wordpress.com/transferencia-de-calor/

Fuente Internet http://online.unitconverterpro.com/es/conversion-de-unidad/conversor-alpha/heat-transfer-coefficient.html
Fuente Internet http://online.unitconverterpro.com/es/conversion-de-unidad/conversor-alpha/heat-transfer-coefficient.html
Fuente Internet http://online.unitconverterpro.com/es/conversion-de-unidad/conversor-alpha/heat-transfer-coefficient.html
Fuente Internet http://online.unitconverterpro.com/es/conversion-de-unidad/conversor-alpha/heat-transfer-coefficient.html
Fuente Internet http://online.unitconverterpro.com/es/conversion-de-unidad/conversor-alpha/heat-transfer-coefficient.html
Fuente Internet http://online.unitconverterpro.com/es/conversion-de-unidad/conversor-alpha/heat-transfer-coefficient.html
Fuente Internet http://online.unitconverterpro.com/es/conversion-de-unidad/conversor-alpha/heat-transfer-coefficient.html
En parelelo
Esfera hueca
Supóngase que dos sólidos planos A y B se colocan uno junto al otro en paralelo, y que la dirección del flujo de calor es perpendicular al plano de la superficie expuesta de cada sólido. Entonces, el flujo total de calor es la suma del flujo de calor a través del sólido A más el que pasa por B. Escribiendo la ecuación de Fourier para cada sólido y sumando.

Donde qT es el flujo total de calor, T1 y T2 son las temperaturas frontal y posterior del solido A, ´T3 y T4 las del sólido B.

FUENTE: HTTP://OCWUS.US.ES/ARQUITECTURA-E-INGENIERIA/OPERACIONES-BASICAS/CONTENIDOS1/TEMA7/PAGINA_06.HT
La conducción a través de una esfera hueca es otro caso de conducción unidimensional. Si utilizamos la ley de Fourier para la conductividad térmica constante con la distancia dr donde r es el radio de la esfera.
El área de corte transversal normal al flujo de calor es:


Sustituyendo la fórmula del Área en la ecuación de q/A e integrando nos queda de la siguiente forma:

FUENTE: HTTP://OCWUS.US.ES/ARQUITECTURA-E-INGENIERIA/OPERACIONES-BASICAS/CONTENIDOS1/TEMA7/PAGINA_06.HT
La transferencia de calor por conducción es un proceso mediante el cual fluye el calor desde una región de alta temperatura a una región de baja temperatura dentro de un medio o entre medios diferentes en contacto físico directo. Sin embargo los resultados de la transferencia de calor por conducción dependen del material y la temperatura.


La transferencia de calor por conducción es una herramienta que se puede emplear para procesos que desean estudiar la transferencia de calor en un sistema por medio físico.

¿Como se da la transferencia de calor por conducción en ......?
Caso
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