2.docx

2. Concepto de energía y sus unidades Se puede definir energía como la capacidad para realizar trabajo, pero, en cierto modo, esta definición clásica resulta inadecuada. Sabemos de muchas transformaciones que implican energía, pero que, aun así, no nos hacen referirnos al concepto de trabajo. Cuando quemamos un pedazo de carbón o iluminamos una habitación por medio de una lámpara o una vela, hay ciertamente una transformación de energía, pero no trabajo. Por esta razón, es aconsejable utilizar una definición alternativa más general y bastante más abstracta: La energía es la capacidad que tiene un cuerpo para poder transformar un sistema o realizar un trabajo. Una cerilla encendida no produce trabajo, pero transforma el «sistema» iluminando y transfiriendo una cantidad mínima de calor. Toda la energía procede directa o indirectamente del Sol, con excepción de una pequeña parte, que lo hace del interior de la tierra y que se manifiesta a través de volcanes, terremotos, géiseres, etc. Sistema Internacional (SI)

Sistema Técnico (ST)

Julio (N m = W s)

Kilográmetro o kilopondímetro (Kgm o Kpm)

Tabla 3.2. Unidades de energía utilizadas en el SI y el ST.

La energía está presente en los seres vivos, desde su propia alimentación hasta la realización de un trabajo. A lo largo del tiempo, el ser humano ha aprendido a utilizar una gran variedad de formas de energía presentes en su entorno, lo que le ha conducido a un crecimiento y a una prosperidad superiores a los de otros seres vivos. Animación. La energía

En la Tabla 3.3 se muestran las unidades de energía más utilizadas en la actualidad, que pertenecen al Sistema Internacional (SI) y al Sistema Técnico (ST). Además de emplear las unidades de los dos sistemas, también se manejan otras unidades (que incluso son más conocidas) para expresar determinadas formas de energía.

Unidad

Definición

Caloría

Cantidad de calor necesaria para elevar un grado de temperatura (para pasar de 14,5°C a 15,5°C) un gramo de agua, a presión atmosférica normal (nivel del mar). La fórmula que relaciona la temperatura adquirida por una masa de agua y el calor absorbido por esta es: Q = Ce ⋅ m ⋅ (Tf - Ti), donde m está expresado en gramos, las temperaturas en °C, el calor Q en calorías y el calor específico Ceen cal/g ⋅ °C. Para el agua, Ce = 1. La equivalencia entre calorías y julios es 1 cal = 4,18 J.

Se emplea mucho cuando se habla de en

Se lee kilovatio hora e indica el trabajo o energía desarrollada (cedida) o consumida por un ser vivo o máquina, que tiene una potencia de 1 kW y está funcionando durante una hora. Un submúltiplo es el vatio hora (Wh), de modo que 1 kWh = 1000 Wh.

Masivamente empleada en máquinas elé

kWh

Tabla 3.3. Otras unidades de energía ampliamente utilizadas.

1. Concepto de energía y sus unidades.

La energía es la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo. Toda la energía procede directa o indirectamente de sol, con excepción de una pequeña parte. Las unidades de energía mas utilizadas son la caloría y el kilovatio. La primera es la cantidad de calor n emplea mucho cuando se habla de energía térmica. Y la segunda indica el trabajo o energía desarrollada o empleada en máquinas eléctricas y para indicar consumos eléctricos.

Termómetro de gas para medir la temperatura

Definición de temperatura El concepto de temperatura surgió para dar idea de cuán caliente o frío está un cuerpo o entorno con mayor precisión, utilizando una escala numérica. La temperatura de un punto determinado de la Tierra depende del calor almacenado que, al mismo tiempo, depende de las salidas y entradas de calor por radiación solar y terrestre, respectivamente. El calor es energía. Cuando dos cuerpos están en contacto, el calor fluye desde el cuerpo de mayor temperatura o mayor energía al de menor temperatura o de menor energía. Entonces, el cuerpo más frío se calienta y el más caliente se enfría hasta que alcanzan el equilibrio térmico. La materia está compuesta por átomos y moléculas que están continuamente en movimiento, es decir, tienen energía de movimiento, que se conoce como energía cinética. Los repetidos choques entre los átomos y moléculas transforman una parte de esa energía cinética en calor, cambiando así la temperatura del cuerpo. Por lo tanto, la temperatura, más específicamente, es una magnitud física que expresa la velocidad con la que se mueven los átomos y las moléculas que

componen la materia. Si es elevada indica una mayor energía cinética promedio de las moléculas, debido a que existen más choques entre ellas. La temperatura atmosférica es el nivel de calor que posee el aire en un lugar y momento determinados y es uno de los elementos del clima. Cuando decimos que tenemos frío o calor, estamos sintiendo el efecto de la temperatura que tiene la atmósfera. Por esa razón es una de las magnitudes que más se utilizan para describir el estado de la atmósfera. Es por esto que cuando se da información meteorológica se le da gran importancia a este elemento del clima. La temperatura del aire cambia entre el día y la noche, entre estaciones y entre ubicaciones geográficas. En meteorología, las que se miden más frecuentemente son: temperatura del aire o ambiente en el instante de la medición, temperatura de punto de rocío o a la cual se alcanza el punto de saturación del aire, temperatura máxima registrada durante el día y la mínima registrada durante el día.

Medición de la temperatura El instrumento que se usa más comúnmente para medir la temperatura es el termómetro de mercurio que, básicamente, consiste en un una pequeña cantidad de mercurio almacenado en un recipiente con una escala graduada. La materia, por lo general, aumenta su volumen o se dilata al calentarse y este fenómeno ocurre con el mercurio. Entonces, la escala se usa para medir las variaciones de temperatura usando las variaciones en volumen del mercurio. El primer termómetro inventado fue en 1714 por Daniel Gabriel Fahrenheit aunque Galileo Galilei en el siglo XVII inventó un termoscopio de aire y los científicos florentinos crearon termómetros de líquido, ambos muy imprecisos. Actualmente, no sólo se utiliza el termómetro de mercurio a modo de medición. Existen varios tipos de termómetros, y su estructura y funcionamiento varía según el uso a que se destinan. Existe también el termómetro de gas, los de cristales líquidos, los bimetálicos, los termopares, entre otros.

Escalas de medición Existen varias escalas de medición y en todas se eligieron como valores de referencia los puntos de fusión del hielo puro y de ebullición del agua pura, a nivel del mar.

Escala centígrada o Celsius

Es la escala más utilizada en el mundo. El valor cero (0 °C) se le atribuye a la temperatura a la que se funde el hielo cuando la presión es una atmósfera (a nivel del mar). El valor 100°C corresponde a la temperatura a la que el agua hierve. Esta escala se divide en cien partes iguales, cada una de esas cien partes representa el aumento en un grado de temperatura.

Escala Fahrenheit La temperatura de fusión del hielo es 32°F y el agua ebulle a los 212°F. Esta escala se divide en 180 partes iguales que corresponden cada una a un grado Fahrenheit. La relación entre la escala Celsius y la Fahrenheit viene dada por la siguiente expresión: t(ºF) = 1,8 • t(ºC) + 32, en la que t(ºF) representa el valor de la temperatura en la escala Fahrenheit y t(ºC) corresponde a la temperatura en la escala Celsius o Centígrada.

Escala Réamur El cero de esta escala coincide con el cero de la escala en grados centígrados pero la temperatura de ebullición es 80° grados. La escala se subdivide en 80 partes iguales. Esta escala se usa más comúnmente en Francia y algunos otros países.

Escala absoluta Se ha demostrado que existe un límite mínimo de temperatura, por debajo de la cual no se puede bajar y ese límite se ha definido como 273,16°C, y es denominado el cero absoluto. El punto de fusión del hielo en esta escala es 273,16ºK (Kelvin) y el punto de ebullición del agua es 373ºK. Al dividir el intervalo que hay entre ambos valores en 100, se obtiene el kelvin, que corresponde a la unidad de medida de la temperatura en el Sistema Internacional. Se usa principalmente para experimentación y aplicaciones físicas. La conversión de grados Celsius a grados Kelvin se realiza con el uso de la relación T=tc+273,16. En la que T es la temperatura absoluta (o kelvin) y tc es la temperatura en grados centígrados o Celsius.

PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN INGENIERÍA Pirobloc|21/12/2016|

Introducción “¡Hoy hace mucho frio!! ¡¡Y con este viento!!” o “Me gusta la cerveza bien fría, pónmela un rato en el congelador para que baje tres o cuatro grados” o “Nuestro proceso productivo necesita que la mezcla se caliente hasta X ºC en 45 minutos y se mantenga en esa temperatura X durante 1 hora” Expresiones como estas o parecidas hemos escuchado y dicho nosotros mismos muchas veces. Forman parte de la vida cotidiana y profesional. Todas ellas tienen en común conceptos como calor, temperatura, grados, que por habituales consideramos perfectamente conocidos y no por ello dejamos de tener algunas confusiones ocasionales. Vamos a intentar ¡¡refrescarlos!! y lo que es más importante, comprobar como su aplicación permite responder y solucionar las expresiones anteriores.

Calor y temperatura El calor y la temperatura son conceptos diferentes, aunque muy relacionados. El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de su energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua caliente será mayor que la

temperatura de un océano, pero el océano tiene más calor porque tiene más agua – más partículas – y por lo tanto más energía térmica total. También hay diferencias en los tipos de estudio requeridos de los procesos que queremos desarrollar. Empezando por las ciencias implicadas: La transferencia de energía – calor – se realiza siempre desde el medio de temperatura más alta – la que dispone de una medida más elevada – a la de temperatura más baja y se detiene cuando los dos medios alcanzan la misma temperatura y por tanto un estado de equilibrio térmico. La termodinámica es la ciencia que se ocupa de la cantidad de transferencia de calor desde un estado de equilibrio inicial a otro, y no hace ninguna referencia o indicación a la duración del proceso. Un análisis termodinámico simplemente nos dice cuánto calor debe ser transferido para realizar un cambio de un estado de equilibrio específico a otro, para satisfacer el principio de conservación de la energía. Aunque nos fija los parámetros básicos necesarios y establece un marco de actuación, en la práctica no es suficiente. Nos indica que cantidad de calor debemos disipar para enfriar nuestra cerveza para conseguir la temperatura que deseamos, pero no nos da ninguna orientación sobre el tiempo para conseguirlo y por supuesto en el problema de nuestro proceso productivo no alcanzamos a sospechar ninguna solución.

Transferencia de calor Lo que ocurre es que realmente estamos interesados en la tasa de transferencia de calor. La determinación de las velocidades de transferencia de calor hacia o desde un sistema y, por lo tanto, los tiempos de calentamiento o enfriamiento, así como la variación de la temperatura, es objeto de la ciencia de la transferencia de calor. La transferencia de calor nos ayuda a resolver las cuestiones planteadas en el inicio de este escrito y juega un papel determinante en el diseño de prácticamente todos los equipos y dispositivos que nos rodean: nuestros ordenadores y televisores deben considerar las tasas de transferencia de calor que permitan su refrigeración y eviten sobrecalentamientos que afecten a su funcionamiento, los electrodomésticos como cocinas, secadoras y neveras tienen que asegurar las características de calentamiento/enfriamiento para las que van a ser comercializadas. En la construcción de nuestros hogares, se realiza un estudio de transferencia de calor, en base al cual se determina el espesor del aislamiento térmico o del sistema de calefacción. En el sector industrial, los equipos como intercambiadores de calor, calderas, hornos, condensadores, baterías, calentadores, refrigeradores y paneles solares están diseñados principalmente sobre la base del análisis de transferencia de calor. Equipos más sofisticados como coches y aviones requieren estos estudios que permita evitar calentamientos no deseados de motores o de habitáculos. Los procesos de transmisión de calor no sólo aumentan, disminuyen o mantiene las temperaturas de los cuerpos afectados, también pueden 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. Las cápsulas espaciales que regresan a la atmósfera de la Tierra a velocidades muy elevadas, 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. La transferencia del calor es pues el 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. Este calor puede transferirse de tres formas: por conducción, por convección y por radiación. Aunque estos tres métodos de transferencia tienen lugar muchas veces simultáneamente, habitualmente uno de los mecanismos predomina sobre los otros dos.

Conducción La conducción es la transferencia de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos o a través de un mismo cuerpo. En la conducción no se produce transferencia de materia, sólo de energía. En una región a mayor temperatura, las moléculas vibran o se mueven con una mayor velocidad. Al interactuar con las moléculas vecinas de menor temperatura, ya sean del mismo cuerpo o de otro que esté en contacto con el primero, les transfieren parte de su energía. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier formuló 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/transferencia de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo:

El factor de proporcionalidad k se denomina conductividad térmica del material e indica la cantidad de calor que se transfiere por unidad de tiempo, por grado de temperatura y por unidad de longitud. A es un área que puede cambiar si depende de la distancia (dx), por lo que se debe usar una media adecuada (Am). En el caso de una sección normal constante – paredes de un edificio – , Am = A. 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 la madera tienen conductividades menores y conducen muy mal el calor. No hay duda que para resolver las preguntas que iniciaron este documento, es necesario conocer perfectamente los materiales implicados y conocer su conductividad térmica y dimensiones en las temperaturas del proceso, ya que a través de ellos se produce una transferencia de calor por conducción. Por lo tanto y si analizamos como enfriar nuestra cerveza desde un punto totalmente científico, será importante conocer las características de la aleación de aluminio de la lata y el espesor que tiene, puesto que la cerveza cederá calor a la lata por medio de una transferencia por conducción.

Convección La convección transfiere calor por el intercambio de moléculas frías y calientes. Se presenta cuando una superficie a cierta temperatura está en contacto con un fluido en movimiento a temperatura diferente. Fue Newton con su Ley del enfriamiento quien indicó la forma de la transferencia a través de la ecuación, definiendo el calor transmitido desde la superficie de un sólido a un fluido en movimiento:

donde    

Ts es la temperatura de la superficie del cuerpo – sólido – T es la temperatura del fluido h es el coeficiente de transferencia de calor por convección A superficie que está en contacto con el fluido

Hay dos grandes tipos en función del origen del movimiento del fluido: 

Convección natural, en la que el movimiento del fluido se debe exclusivamente a las diferencias en la densidad del fluido por la variación de temperatura entre dos puntos.



Convección forzada en la que el movimiento del fluido se debe a algún factor externo. La transferencia de calor es mejor con convección forzada, ya que el movimiento – la velocidad – es mucho mayor al existir además de la diferencia de densidad un apoyo por ese factor externo – bomba, ventilador, viento, agitador -.

La temperatura de nuestro cuerpo es de 36.5 ºC aproximadamente y el aire ambiente que nos rodea está en general, a menor temperatura, por lo que constantemente cierta cantidad de calor se está transfiriendo desde nuestro cuerpo hacia el aire ambiente. Cuando la transferencia se produce con rapidez porque las dos temperaturas son bastante diferentes, notamos frio. Hemos transmitido energía desde nuestro cuerpo al aire ambiente por convección natural. Y evidentemente si hace mucho viento, tenemos más transferencia y mayor sensación de frio, ya que la convección es forzada. El coeficiente de transferencia de calor por convección h de la expresión (2), depende básicamente de las características físicas y termodinámicas del fluido – densidad, calor específico, viscosidad – a las temperaturas en que se encuentre cuando evaluamos la transferencia de calor y como ya podemos suponer, de la velocidad del mismo en esos momentos. Para resolver pues nuestras preguntas, ya sean cotidianas o profesionales, debemos no sólo conocer las características de los fluidos de nuestros procesos, sino también su estado – velocidad – en el proceso.

Radiación La radiación es la transferencia de calor que se realiza a través de ondas electromagnéticas. Se podría catalogar como transporte molecular, ya que la energía es producida por los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivos y transportada por las ondas electromagnéticas o fotones. No existe contacto directo entre los dos medios y el intermedio o interfase no participa en las funciones de intercambio – en la mayoría de ocasiones es el aire, aunque también hay transferencia de calor a través del vacío -. El calor que recibe la Tierra desde el Sol, se transmite por radiación a través del espacio vacío. El calor que se siente al estar frente a una fogata también es transferido por radiación. El físico alemán Max Planck en 1900, empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica estadística para formular la ley fundamental de la radiación. La expresión matemática de esta ley, 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. A partir de la ley de Planck, dos físicos austriacos, Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884 respectivamente, descubrieron que el poder emisor de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor de esa proporcionalidad se denomina constante de Stefan−Boltzmann en su honor:

donde    

Ts es la temperatura de la superficie del cuerpo ε es el coeficiente de emisividad, propiedad del material que relaciona su capacidad de radiación térmica con la del cuerpo negro ideal σ es la constante de Stefan-Boltzmann,, = 5.67 x 10-8 W/m2 ºK4 A es la superfície de emisión

Si tenemos presente que todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto, la expresión (3) se convierte en

Donde F1-2 es un módulo que pondera la relación geométrica de los dos cuerpos y sus coeficientes de emisividad.

En el proceso productivo del que hacíamos referencia al inicio de este escrito tendremos absolutamente implicados todos los procesos de transferencia de calor. El calor se transmitirá básicamente por convección en los intercambiadores, reactores y baterías de nuestra instalación, entre los fluidos caloportadores – fluido térmico, vapor, agua caliente – y los fluidos contenidos en dichos equipos. El calor se generará a partir del combustible en una caldera con transferencia básicamente por radiación en su cámara de combustión y por convección en serpentines o tubos de humos. Finalmente en el cálculo para evitar pérdidas a través de las tuberías o de los equipos, deberemos considerar las características y espesor del aislamiento térmico, ya que la transferencia de calor entre la pared metálica de tubos o de intercambiadores y nuestro aislamiento se realiza por medio de conducción. Hasta aquí una visión rápida de los procesos de transferencia de calor. La gran cantidad de aplicaciones y su complejidad y diversidad, hacen que las cuatro fórmulas mencionadas en este documento se deriven en centenares, para poder considerar cada particularidad y permiten para cada aplicación concreta disponer de criterios específicos y adecuados de diseño. El documento Formulario de Transferencia de Calor de Academia.edu, recoge las más importantes

10 Ejemplos de

Conducción, Convección y Radiación De acuerdo a los principios físicos de la termodinámica, es notable que la temperatura es algo que no es constante en los cuerpos, sino que por el contrario se transfiere de unos a otros: la dirección siempre es la misma, pues el calor pasa desde los objetos de mayor temperatura a los de menor. Existen muchas fórmulas matemáticas correspondientes a la física y la química tendientes a explicar estos procesos de transferencia de calor, pero lo central es que ocurren bajo tres procedimientos diferentes: conducción, convección y radiación.

Ejemplos de Conducción

¿Qué es la conducción? La conducción es el proceso a partir del cual el calor se propaga debido a la agitación térmica de las moléculas, sin que exista un desplazamiento real de ellas. Es un proceso muy sencillo de entender y a la vez ‘invisible’ pues solo ocurre transferencia de calor, sin nada físico visible. La conducción es la razón por la cual los objetos, en un tiempo más o menos prolongado, acaban por adquirir la misma temperatura en toda su extensión. Algunos ejemplos de conducción: 1. Lo largo de los instrumentos para manipular carbón u otros objetos potencialmente muy calientes. Si su extensión fuera más corta, la transferencia de calor sería más rápida y no se podría tocar ninguno de los extremos. 2. El hielo en una tasa de agua caliente se derrite por medio de la conducción. 3. Al hervir agua, la llama conduce el calor al recipiente y al cabo de un tiempo permite calentar el agua. 4. El calor que tiene una cuchara al dejarla en un recipiente y volcar una sopa extremadamente caliente sobre él. 5. Los cuchillos y tenedores utilizan un mango de madera para romper con la conducción del calor.

Ejemplos de Convección

¿Qué es la convección? La convección es la transmisión de calor basada en el movimiento real de las moléculas de una sustancia: aquí interviene un fluido que puede ser gas o líquido. La transmisión de calor convectiva solo puede producirse en fluidos en los que por movimiento natural (el fluido extrae el calor de la zona caliente y cambia densidades) o circulación forzada (a través de un ventilador se mueve el fluido), las partículas puedan desplazarse transportando el calor sin interrumpir la continuidad física del cuerpo. Aquí una serie de ejemplos de convección: 1. La transferencia de calor de una estufa. 2. Los globos aerostáticos, que se mantienen en el aire por medio del aire caliente. Si se enfría, inmediatamente el globo comienza a caer. 3. Cuando el vapor de agua empaña los vidrios de un baño, por la caliente temperatura del agua al bañarse. 4. El secador de manos o de pelo, que transmiten calor por convección forzada. 5. La transferencia de calor generada por el cuerpo humano cuando una persona está descalza. Ver también: Ejemplos de Equilibrio Térmico

Ejemplos de Radiación ¿Qué es la radiación? La radiación es el calor emitido por un cuerpo debido a su temperatura, en un proceso que carece de contacto entre los cuerpos ni fluidos intermedios que transporten el calor. La radiación hace que por existir un cuerpo sólido o líquido de temperatura mayor que otro, se produzca inmediatamente una transferencia de calor de uno al otro. El fenómeno es el de la transmisión de ondas electromagnéticas, emanadas por los cuerpos a mayor temperatura que el cero absoluto: cuanto mayor sea la temperatura, entonces mayores serán esas ondas. Eso es lo que explica que la radiación solo puede producirse en tanto los cuerpos están a una temperatura especialmente elevada. A continuación, un grupo de ejemplos en donde se produce la radiación:

1. La transmisión de ondas electromagnéticas a través del horno microondas. 2. El calor emitido por un radiador. 3. La radiación ultravioleta solar, precisamente el proceso que determina la temperatura terrestre. 4. La luz emitida por una lámpara incandescente. 5. La emisión de rayos gamma por parte de un núcleo. Los procesos de transmisión de calor aumentan y disminuyen las temperaturas de los cuerpos afectados, pero también en ocasiones (como se ejemplificó con el hielo) son los responsables de los fenómenos de cambios de fase, como la ebullición del agua en vapor, o la fusión del agua en hielo. La ingeniería concentra muchos de sus esfuerzos en aprovechar esta posibilidad de manipular el estado de los cuerpos mediante la transmisión de calor.

Fuente: https://www.ejemplos.co/10-ejemplos-de-conduccion-conveccion-yradiacion/#ixzz5VH3WULxS

Calentamiento y Enfriamiento de Reactores Encamisados Los reactores utilizan camisas de calentamiento y enfriamiento para extraer el calor producido por una reacción exotérmica o para proveer el calor necesario para que se lleve a cabo una reacción endotérmica.

Las camisas de vapor que operan a altas presiones implican mayores riesgos en materia de seguridad, especialmente cuando el reactor contiene químicos contaminantes o tóxicos. Por el contrario, los sistemas de fluido térmico pueden asegurar una temperatura de operación constante hasta temperaturas de 800°F/425°C operando a bajas presiones, evitando en muchos casos la necesidad de certificación ASME para recipientes a presión. Adicionalmente, el mantenimiento de los sistemas de fluido térmico es más simple, no tiende a formar incrustaciones y evita los riesgos de corrosión asociados a los sistemas de vapor presurizado. Generalmente, dependiendo de la temperatura operativa, se utiliza algún aceite térmico o una mezcla agua/glicol para el calentamiento y enfriamiento de reactores encamisados. En Sigma Thermal, producimos un amplio rango de sistemas de calentamiento por fluidos térmicos que se ajustan a los requerimientos de calentamiento y enfriamiento de reactores encamisados. En caso de requerir un diseño

particular, nuestros ingenieros pueden desarrollar un diseño especial basado en parámetros operativos específicos

SERPENTINES DE CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO Los serpentines de calentamiento y enfriamiento se utilizan ya sea para calentar o enfriar aire se ofrecen serpentines capaces de manejar cualquier requerimiento. Desde un uso ligero hasta un uso pesado, ya sea utilizando vapor, agua o glycol.

Para calentamiento con vapor o líquido o para el enfriamiento con líquido. Tubos de acero o acero inoxidable; aletas de acero, acero inoxidable, aluminio o cobre. Fabricación totalmente soldada. Descargar PDF.

Para uso ligero tanto en calefacción con vapor o líquido o para el enfriamiento con líquido. Tubos de cobre, aletas en aluminio o cobre. Marco en acero galvanizado, acero inoxidable o aluminio.

TIPOS DE ENFRIAMIENTO El tratamiento térmico es una operación o combinación de operaciones que comprenden el calentamiento o enfriamiento del metal, con el fin de mejorar algunas propiedades, en relación con la condición original del material. Los propósitos generales del tratamiento térmico son la eliminación de tensiones internas, homogeneización de las estructuras de moldeo, afino de grano y cambio de estructura. Todos los procesos básicos de tratamiento térmico del acero incluyen la transformación o descomposición de la austenita. Para realizar el tratamiento térmico tenemos que calentar la muestra de acero hasta una temperatura por encima de la temperatura crítica superior para formar austenita. Normalmente la velocidad de enfriamiento en un mismo tratamiento no influye demasiado en las propiedades finales del acero, siempre que se haga razonablemente lento. Los principales tratamientos térmicos que es aplican a una muestra de acero son: recocido total, recocido de esferoidización, recocido para eliminación de esfuerzos, recocido de proceso, normalización y templado.

Ver Normalizado

Ver Templado

RECOCIDO TOTAL Este proceso consiste en el calentamiento del acero a la temperatura adecuada durante un tiempo y luego enfriar muy lentamente en el interior del horno o en algún material aislaste del calor. Debido al enfriamiento lento el proceso puede ser asociado al diagrama de equilibrio hierro-carburo de hierro, que en nuestro caso se trata de una muestra de acero hipoeutectoide y corresponde el proceso al diagrama siguiente representado en la figura. El propósito general del recocido es refinar el grano, proporcionar suavidad, mejorar las propiedades eléctricas y magnéticas y, en algunos casos, mejorar el maquinado.

Partiendo de una muestra de acero hipoeutectoide (0.2% de carbono en la figura 1), calentamos progresivamente. En la fig. 1a se observa la microestructura de las fases perlita y ferrita. Al calentar y traspasar la línea crítica inferior (A1), la perlita se

transformará en pequeños granos de austenita por medio de la reacción eutectoide, dejando la ferrita inalterada (fig.1b). Al seguir calentando y traspasar la línea crítica superior (A3) los granos grandes de ferrita se transformarán en pequeños granos de austenita con lo que se obtendrá una microestructura de austenita con granos muy pequeños (fig. 1c). Dejando enfriar lentamente la muestra se formarán pequeños granos de ferrita proeutectoide y pequeñas áreas de gruesa perlita laminar (fig.1d). La temperatura adecuada para el recocido en el acero hipoeutectoide es de aproximadamente 10º C por encima de la línea A3. Si realizamos un estudio microscópico de las proporciones de ferrita y perlita presentes en un acero recocido, permitirá determinar el contenido de carbono aproximado en el acero, ya que el contenido de ferrita proeutectoide relativo al contenido de perlita sigue una relación lineal con respecto al contenido de carbono.

RECOCIDO PARA LA ELIMINACIÓN DE ESFUERZOS Este proceso se utiliza para eliminar esfuerzos residuales debidos a un fuerte maquinado u otros procesos de trabajo en frío. Este recocido, también denominado subcrítico, se lleva a cabo a temperaturas por debajo de la línea crítica inferior A3.

RECOCIDO DE PROCESO Es un proceso muy parecido al recocido para eliminar esfuerzos, ya que se calienta el acero a una temperatura por debajo de la línea crítica inferior. La utilización de este tipo de tratamiento se orienta hacia las industrias de láminas y cable. Si se aplica después del proceso en frío se suaviza el acero por medio de la recristalización, para un posterior trabajo.

ESFEROIDIZACIÓN Es un proceso por el cual se mejora la maquinabilidad. El método que suele emplearse es el mantenimiento durante un tiempo prolongado a una temperatura ligeramente inferior a la línea crítica inferior. Este tipo de proceso se emplea para obtener una mínima dureza, una máxima ductilidad o una máxima maquinabilidad en aceros al alto carbono. Los aceros al bajo carbono (como lo son nuestras muestras) rara vez esferoidizan por maquinado, porque en la condición de esferoidizados son excesivamente suaves.

NORMALIZADO El tratamiento térmico de normalización del acero se lleva a cabo al calentar aproximadamente a 20ºC por encima de la línea de temperatura crítica superior seguida

de un enfriamiento al aire hasta la temperatura ambiente. El propósito de la normalización es producir un acero más duro y más fuerte que con el recocido total, de manera que para algunas aplicaciones éste sea el tratamiento térmico final. Sin embargo, la normalización puede utilizarse para mejorar la maquinabilidad, modificar y refinar las estructuras dendríticas de piezas de fundición, refinar el grano y homogeneizar la microestructura para mejorar la respuesta en las operaciones de endurecimiento. El hecho de enfriar más rápidamente el acero hace que la transformación de la austenita y la microestructura resultante se vean alteradas, ya que como el enfriamiento no se produce en condiciones de equilibrio, el diagrama hierro-carburo de hierro no es aplicable para predecir las proporciones de ferrita y perlita proeutectoide que existirán a temperatura ambiente. Ahora, se tendrá menos tiempo para la formación de la ferrita proeutectoide, en consecuencia, habrá menos cantidad de esta en comparación con los aceros recocidos. Aparte de influir en la cantidad de constituyente proeutectoide que se formará, la mayor rapidez de enfriamiento en la normalización también afectará a la temperatura de transformación de austenita y en la fineza de la perlita. El hecho de que la perlita (que es una mezcla eutectoide de ferrita y cementita) se haga más fina implica que las placas de cementita están más próximas entre sí, lo que tiende a endurecer la ferrita, de modo que esta no cederá tan fácilmente, aumentando así la dureza. El enfriamiento fuera del equilibrio también cambia el punto eutectoide hacia una proporción de carbono más baja en los aceros hipoeutectoides y más alta en los aceros hipereutectoides. El efecto neto de la normalización es que produce una estructura de perlita más fina y más abundante que la obtenida por el recocido, resultando un acero más duro y más fuerte.

TEMPLADO La técnica de templado consiste en calentar los el acero hasta que se alcance la temperatura crítica austenita+ ferrita austenita al igual que en el recocido y normalizado, seguido de un enfriamiento lo suficientemente rápido con el fin de endurecer la muestra considerablemente. Para la realización del templado emplearemos el método de Jominy (ver figura), consistente en hacer incidir una corriente de agua primero y salmuera posteriormente, sobre un extremo del tornillo. Enfriados de esta manera conseguiremos que la velocidad de enfriamiento sea muy rápida obteniendo la mayor proporción de fase martensita posible evitando que esta se transforme a medida que disminuye la temperatura. Este procedimiento es el que mayor dureza confiere a los tonillos. En particular, los enfriados con salmuera resultarán de mayor dureza que los enfriados con agua, y la punta del tornillo donde la velocidad de enfriamiento es mayor acumulará la mayor cantidad de martensita.

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Ejemplo de aplicación de la Ley de Fourier Solapas principales 

Ver(solapa activa)



Rastreo Enviado por Germán Fernández en Mar, 01/19/2016 - 15:51

Dos depósitos de calor con temperaturas respectivas de 325 y 275 K se ponen en contacto mediante una varilla de hierro de 200 cm de longitud y 24cm2 de sección transversal. Calcular el flujo de calor entre los depósitos cuando el sistema alcanza su estado estacionario. La conductividad térmica del hierro a 25ºC es 0.804 J/Kcms.

El sistema se encuentra en estado estacionario y tiene un gradiente de temperatura constante que viene dado por: dTdz=ΔTΔz=275−325200=−0.25K/cm(1)

El flujo de calor que atraviesa una sección transversal del conductor viene dada por la Ley de Fourier: dqdt=−kAdTdz=−0804J/Kcms⋅24cm2⋅(−0.25K/cm)=4.824J/s(2) ‹ Ley de Fourier de la conducción térmicaarribaEvaluación de la conductividad térmica mediante la teoría cinética. ›

Conductividad térmica[editar] Artículo principal: Conductividad térmica

Debido a la diferencia en la conductividad térmica de los adoquines y la hierba, el contorno del pavimento se puede ver a través de esta nieve que se derrite.

La conductividad térmica es una propiedad intrínseca de los materiales que valora la capacidad de conducir el calor a través de ellos. El valor de la conductividad varía en función de la temperatura a la que se encuentra la sustancia, por lo que suelen hacerse las mediciones a 300 K con el objeto de poder comparar unos elementos con otros. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los gases (a pesar de que en ellos la transferencia puede hacerse a través de electrones libres) y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos. Para que exista conducción térmica hace falta una sustancia, de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío elevado. En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de calor, bien utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con un elevado área de contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se desea minimizar el efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales de baja conductividad térmica, vacíos intermedios, y se disponen en configuraciones con poca área de contacto. Coeficientes λ para distintos materiales

λ

Material

λ

Material

λ

Material

Acero

47-589

Corcho

0,04-0,30

Mercurio

83,7

Agua

0,58

Estaño

64,0

Mica

0,35

Aire

0,02

Fibra de vidrio

0,03-0,079 Níquel

52,3

Alcohol

0,16

Glicerina

0,29

Oro

308,2

Alpaca

29,1

Hierro

80,2

Parafina

0,21

Aluminio 209,3

Ladrillo

0,80

Plata

406,1-418,7

Amianto

0,04

Ladrillo refractario 0,47-1,05

Plomo

35,0

Bronce

116-186

Latón

Vidrio

0,6-1,0

81-116

Zinc

106-140

Litio

Cobre

372,1-385,29 Madera

301,2

Yeso

0,488

0,139

Polietileno 0,035

Pdffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff luegoooooooooooooooooooooooooooooooooooo

TRANSMISIÓN DE CALOR POR RADIACIÓN Todos los cuerpos, cualquiera sea su temperatura, emiten energía en forma continua desde sus superficies. Esta energía se denomina energía radiante y es

transportada por ondas electromagnéticas, por este motivo, la energía radiante puede transmitirse aún en el vacío. La emisión continua de energía radiante por un cuerpo se denomina radiación. Como consecuencia de este fenómeno, dos cuerpos colocados en el vacío que están a diferentes temperaturas alcanzan el equilibrio térmico debido a que el de menor temperatura recibe energía radiante del otro cuerpo de mayor temperatura. Cuando la energía radiante es absorbida por un cuerpo, se transforma en calor; no obstante la energía radiante también puede ser reflejada (difundida) o refractada (propagada) por los cuerpos. Trataremos únicamente la energía radiante emitida por los sólidos y los líquidos, pues la emitida por los gases obedece a leyes muy diferentes. Hemos dicho que la energía radiante se transmite por ondas electromagnéticas, por lo tanto su velocidad de propagación será la de la luz (300.000 km/seg en el vacío). Las ondas electromagnéticas comprenden: radio ondas, ondas infrarrojas, luz visible, ondas ultravioletas y rayos X y γ; todas diferentes solamente en sus longitudes de ondas. Los cuerpos sólidos y líquidos emiten energía radiante que contiene ondas de todas las frecuencias, cuyas amplitudes dependen principalmente de la temperatura del cuerpo emisor y no del tipo de moléculas que lo formen. En cambio, los gases, emiten energía radiante de relativamente pocas frecuencias, las cuales son características de las moléculas del gas. Si la radiación emitida por un cuerpo se hace incidir sobre un prisma, se descompone en radiaciones monocromáticas cuyo conjunto se denomina “espectro”. Cada radiación monocromática corresponde a una determinada longitud de onda λ, que está relacionada con la velocidad de propagación c por la ecuación: λ = c . T. D0onde T es el período correspondiente al fenómeno periódico al cual responde la radiación. Por otra parte, T = 1 / υ; siendo υ la frecuencia.

El espectro se puede dividir en tres zonas: 1. zona infrarroja: constituida por radiaciones de longitud de onda superiores a 0,8 μ. 2. zona luminosa o visible, cuyas radiaciones poseen longitudes de onda comprendidas entre 0,4 y 0,8 μ. e impresionan la retina humana. 3. zona ultravioleta, cuyas longitudes de onda son inferiores a 0,4 μ..

La energía radiante es emitida por toda la materia del cuerpo, pero en general, en su interior la energía emitida por cada punto es nuevamente absorbida por eso solamente se libera la energía correspondiente a una delgada capa de la superficie del cuerpo. no solo depende de la temperatura de la superficie sino también de su naturaleza.

Distribución espectral de la energía radiante Lumer y Pringssheim, efectuaron una serie de experimentos en los cuales tomaban las radiaciones emitidas a una cierta temperatura y medían su energía a distintas longitudes de onda. Así encontraron que la energía en las distintas longitudes de onda no eran uniforme. Si E λes la energía emitida con longitud de onda λ, la energía total a temperatura T está dada por:

Por lo tanto, el área encerrada por cada curva representa la energía total emitida a esa temperatura, será proporcional a la cantidad de calor transmitida por unidad de superficie y unidad de tiempo. Se puede observar que a temperaturas bajas, la energía emitida corresponde a radiaciones de longitudes de onda ubicadas en la zona infrarroja. a medida que el cuerpo aumenta su temperatura, emite radiaciones de longitud de onda cada vez menores, alcanzando la zona roja de luz visible y posteriormente al cubrir todo el espectro visible, la luz blanca. Por este motivo, los cuerpos a temperaturas elevadas presentan color rojo y también blanco.

Radiación incandescencia Hemos visto anteriormente que la energía emitida por un cuerpo depende de su temperatura. La energía radiante recibida por un cuerpo, en general puede dividirse en tres partes: a) la energía transmitida o programada por el cuerpo sin absorberla; b) la energía reflejada o difundida según las leyes de la óptica y

c) la energía que el cuerpo absorbe La cantidad de energía transmitida, reflejada o absorbida por un cuerpo, depende de la naturaleza del material, de la superficie y de la longitud de onda de la radiación.

En

realidad

no

existen

cuerpos

totalmente

permeables o

impermeables. Por ejemplo, el vidrio es permeable a las radiaciones visibles pero absorbe las infrarrojas. Podemos imaginar la existencia de un cuerpo que sea absolutamente absorbente o sea un cuerpo que absorbiera todas las radiaciones que recibe. Un cuerpo teórico que cumple esta condición, se denomina cuerpo negro. Un cuerpo negro, se puede lograr casi perfectamente practicando un orificio pequeño, de superficie ΔS, en un recinto cerrado, opaco o recubierto de negro de humo, y mantenido a temperatura constante. La radiación absorbida o emitida por dicho sistema, es equivalente a la que correspondería a un cuerpo negro de superficie ΔS, a la misma temperatura. A unos 500 °C, la radiación que emite u cuerpo negro, comienza a tener radiaciones luminosas (rojo cereza). Midiendo la energía de dicha radiación, se puede medir la temperatura del cuerpo, procedimiento en que se basan los métodos ópticos de medición de temperatura en los hornos industriales.

Poder emisivo y poder absorbente El poder emisivo o de emisión E, de un cuerpo, se define como la cantidad de calor emitida por unidad de superficie y por unidad de tiempo, en una dirección dad. El valor de E depende fundamentalmente del valor de λ y de T. En general se expresa relacionándola con el poder emisivo del cuerpo negro ideal. Se denomina coeficiente de emisividad e a la relación entre el poder emisivo del cuerpo E, y el poder emisivo del cuerpo negro ES, en iguales condiciones. O sea:

En la expresión anterior vemos que e debe ser un número, independiente de las unidades en que se mida el poder emisivo y cuyo valor está comprendido entre 0 y 1.

Por ejemplo, entre 20 y 200°C, los valores aproximados de e son: MATERIAL

e

metal pulido

0,04 – 0,05

metal oxidado

0,80 - 0,90

madera lisa

0,80 - 0,90

material de construcción

0,90

vidrio liso

0,94

negro de humo

0,98

El poder absorbente o de absorción A, de un cuerpo, se define como la cantidad de calor absorbida por unidad de superficie y por unidad de tiempo. Su valor depende de λ y T. Se denomina coeficiente de absorción a, a la relación entre el poder absorbente del cuerpo A y el poder absorbente correspondiente al cuerpo negro en las mismas condiciones AS.

valor comprendido entre 0 y 1 Se deduce entonces que tanto aS correspondientes al cuerpo negro ideal, deben valer 1. Ley de KIRCHOFF Esta ley establece que la relación entre el poder emisivo y el coeficiente de absorción, es una constante para todas las superficies a valores de λ y de T dados. Si llamamos E1 y E2 a los poder emisivos de dos cuerpos cuyos coeficientes de absorción son a1 y a2, se deberá cumplir que::

E1 = E2 también igual a

para el cuerpo negro

Como para el cuerpo negro, aS = 1; entonces el valor de la constante es igual a ES o sea el poder emisivo del cuerpo negro en las condiciones de λ y de T dadas.

Vemos entonces que todo cuerpo puede emitir radiación a una λ y T dadas, según

el

valor

de

su

coeficiente

de

absorción.

La radiación será mayor cuanto mayor sea el valor de a, en consecuencia el cuerpo negro es el que mayor radiación emite en tales condiciones, pues su valor de a es máximo, igual a 1. Según la ley de Kirchoff, para un cuerpo cualquiera, cuyo poder emisivo es E y su coeficiente de absorción es a, se debe cumplir que:

donde ES = poder emisivo del cuerpo negro Pero, según vimos antes, E = e; donde e es el coeficiente de emisividad del cuerpo, en consecuencia:

donde e = a Se deduce que para toda superficie, el coeficiente de emisividad es igual al coeficiente de absorción. Por tanto, si un cuerpo puede emitir una radiación λ a temperatura T, el mismo cuerpo es también capaz de absorberla en las mismas condiciones. Este fenómeno se conoce como inversión del espectro. Resumiendo lo dicho, se puede establecer que la cantidad de calor transmitida por radiación y por unidad de tiempo, depende no solamente de la temperatura y de la naturaleza de la superficie del cuerpo sino también de las temperaturas y naturaleza de las superficies de los cuerpos circundantes.

Cuerpos grises Son aquellos en los cuales el valor del coeficiente de emisividad e, permanece constante para todas las longitudes de onda y temperaturas. Como vimos que e = a, el coeficiente de absorción también debe ser constante. En la práctica no existen cuerpos grises, pues el valor de e no se mantiene constante, sin embargo, en la mayoría de los casos pueden considerarse grises a los cuerpos sin mucho error. El poder emisivo de un cuerpo gris será: E = e . ES Esta ecuación se considera válida para todas las longitudes de onda y en un intervalo dado de temperatura.

Ley de stefan boltzmann Establece que la cantidad total de calor emitida (en todas las longitudes de onda), por unidad de tiempo y por unidad de superficie del cuerpo negro, es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo. (Según lo visto antes, la cantidad de calor total emitida es proporcional al área encerrada por la curva de radiación: E λ = f(λ). Esta ley se puede expresar matemáticamente: Donde es el coeficiente de radiación total del cuerpo negro, que se puede definir como la radiación integral, para todas las direcciones y longitudes de onda transmitida por unidad de superficie del cuerpo negro, en la unidad de tiempo y por °K de temperatura. Es una constante universal. Par los cuerpos grises podemos aceptar que: δQ = σs S dτ T4 para un cuerpo gris : σ = e σs

δQ = e σs S dτ T4 o

Donde σs = 4,96 x 10-8 Kcal / m2 h ºK4

Calor transmitido por radiación Supongamos que un cuerpo 1 a temperatura T 1 y de superficie S1 transmite calor a otro cuerpo 2 de temperatura T2 y superficie S2, considerando además que el medio que lo rodea no es absorbente. La cantidad de calor transmitida será igual a la cantidad de calor emitida por el cuerpo 1 a temperatura T1 menos la cantidad de calor reflejada por el cuerpo 2 y menos la cantidad de calor emitida por dicho cuerpo a T2 y absorbida por 1. Si el cuerpo 1 fuera gris y el 2 negro y rodeara totalmente a 1, las cantidades de calor serían: Ejemplo:



Calor emitido por 1



El cuerpo 2 por ser negro no refleja radiación



El cuerpo 1 absorbe de 2

ϕ1 = e1 σs S1 T14

ϕ2 = e1 σs S1 T24

Calor transmitido: ϕ = ϕ1 - ϕ2 = e1 σs S1 ( T14 - T24 ) Si t = T – 273,15

ϕ = αr S1 ( t1 - t2 )

Donde

αr = se denomina coeficiente de radiación.

Calor transmitido por radiación y convección Si un cuerpo de temperatura t1 y superficie S1se encuentra dentro de un fluido a temperatura t2, siendo t1 > t2, transmite calor por convección y radiación. (Si estuviera apoyado, también transmitiría calor por conducción a través de los apoyos). El flujo total, transmitido por convección y radiación, según las ecuaciones ya vistas será: ϕ = α . S1 (t1 - t2) + αr . S (t1 - t2) donde α = coeficiente de convección ϕ = (α + αr ) . S1 (t1 - t2)