CUESTIONARIO1. Indique cuales son las 3 formas de transferencia de calor con sus respectivos ejemplos

Conduccin: La conduccin es latransferencia de calor, por medio de la excitacin molecular en el interior del material, sin ningn tipo de movimiento entre los objetos. Si un extremo de una barra de metal est a unatemperatura ms alta, entonces se transferir energa hacia el extremo ms fro, debido a las colisiones de partculas de alta velocidad con las ms lentas, producindose una transferencia neta de energa hacia estas ltimas. En una transferencia entre dos superficies planas, como la prdida de calor a travs de las paredes de una casa, la tasa de transferencia de calor por conduccin es:

Clculo= Calor transferido en el tiempo =

= Conductividad trmica de la barrera

Area

= Temperatura

= Grosor de la barrera

Conveccin: La conveccin es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masa o circulacin dentro de la sustancia. Puede ser natural producida solo por las diferencias de densidades de la materia; o forzada, cuando la materia es obligada a moverse de un lugar a otro, por ejemplo el aire con un ventilador o el agua con una bomba. Slo se produce en lquidos y gases donde los tomos y molculas son libres de moverse en el medio. En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmsfera por conduccin y radiacin cerca de la superficie, es transportado a otras capas o niveles de la atmsfera por conveccin. Un modelo de transferencia de calor H por conveccin, llamado ley de enfriamiento de Newton, es el siguiente:

H = h A (TA T)

h se llama coeficiente de conveccin, en W/(m2K) A es la superficie que entrega calor con una temperatura TA al fluido adyacente, que se encuentra a una temperatura T

El flujo de calor por conveccin es positivo (H > 0) si el calor se transfiere desde la superficie de rea A al fluido (TA > T) y negativo si el calor se transfiere desde el fluido hacia la superficie (TA < T).

Radiacin: Puede transportar el calor a travs de un fluido o del vaco, en forma de ondas electromagnticas o fotones como resultado de los cambios en las configuraciones electrnicas de los tomos o molculas, estos se propagan a la velocidad de la luz. La cantidad de energa que abandona una superficie en forma de calor radiante depende de la temperatura absoluta a la que se encuentra y tambin la naturaleza de la superficie. El radiador perfecto o cuerpo negro, emite una cantidad de energa radiante de su superficie , Qr

Eb = poder emisivo del radiador.

= constante dimensional de Stefan Boltzmann

5, 67 x 10-8 w/m2.K4 para el sistema Internacional (SI)

0, 1714 x 10-8 Btu/h pie2. R4 para el sistema americano de ingeniera

La ecuacin anterior dice: Toda superficie negra irradia calor proporcionalmente a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. Siendo la emisin independiente de las condiciones de los alrededores, la evaluacin de una transferencia neta de energa radiante requiere una diferencia en la temperatura superficial de dos o ms cuerpos entre los cuales tiene lugar el intercambio. Si un cuerpo negro irradia calor a un recinto que la rodea completamente y cuya superficie es tambin negra, es decir, absorbe toda la energa radiante que incide sobre l, la transferencia neta de energa radiante viene dada por:

Siendo: T1 y T2 = la temperatura del cuerpo negro y la temperaturasuperficial del recinto en (K).

Un cuerpo gris emite radiacin segn la expresinQr = A Eb = A T4

El calor radiante neto transferido por un cuerpo gris a la temperatura T1 a un cuerpo negro que lo rodea a la temperatura T2 es:

Qr = 1 A ( T14 - T24 )

= Emisividad, propiedad de la superficie es numricamente igual al cociente de la emisin de radiacin del cuerpo en estudio con respecto a la de uno negro, adquiere valores entre 0 y 1 y constituye una medida para evaluar cuan efectivamente emite radiacin un cuerpo real con respecto a uno negro. En la figura N 3 se visualiza los tres mecanismos de transferencia de calor

EjemplosConduccion: Una barra de oro est en contacto trmico con una barra de plata, una a continuacin de la otra, ambas de la misma longitud y rea transversal. Un extremo de la barra compuesta se mantiene a T1 = 80 C y el extremo opuesto a T2 = 30 C. Calcular la temperatura de la unin cuando el flujo de calor alcanza el estado estacionario.

T

T1k1Hk2T2

Solucin: L1 = L2 = L:

Horo = k1 A(T1 T )yH plata = k2 A(T T2 )

LL

Cuando se alcanza el estado estacionario, estos dos valores son iguales:Horo= Hplata k A(T1 T )= k2A(T T2 )

1LL

k1 (T1 T ) = k2 (T T2 )

Despejando la temperatura T, con k1 del oro y k2 de la plata, valores obtenidos de la tabla:

Metales, a 25CGases, a 20COtros materiales

Sustanciak (W/mK)Sustanciak (W/mK)Sustanciak (W/mK)

Aluminio238Aire0.0234Asbesto0.08

Cobre397Helio0.138Concreto0.8

Oro314Hidrgeno0.172Diamante2300

Hierro79.5Nitrgeno0.0234Vidrio0.84

Plomo34.7Oxgeno0.0238Hule0.2

Plata427Madera0.08 a 0.16

Latn110Corcho,0.42

Tejido humano0.2

Agua0.56

Hielo2

k1T1 + k2T2=314 353 + 427303= 324.2K = 51.2 C

k1+ k2314 + 427

T=

Conveccin: El vidrio de una ventana se encuentra a 10 C y su rea es 1.2 m2. Si la temperatura del aire exterior es 0 C, calcular la energa que se pierde por conveccin cada segundo. Considerar h = 4 W/(m2K).Solucin: Los datos son: TA = 10 C = 283K, T = 0 C = 273K, A = 1.2 m2. Usando la ley de enfriamiento de Newton:

Radiacin: Se necesita conocer la cantidad de calor que una pared de un cuarto irradia sobre el piso. La temperatura de la pared es de 50C y la del piso 27C. La dimensiones de la pared son 3 x 6 m y la del piso 6 x 9 m. La emisividad de la pared es 0.8 y la del piso 0.6.

2. Numero de Reynold, numero de Nusselt y numero de Pranlt

Nmero de Prandtl: Representado por Pr, al igual que muchos nmeros tratados anteriormente, es considerado como un nmero adimensional, que va en proporcin al cociente entre la difusividad de momento, conocida como viscosidad y la difusividad trmica. Este nmero recibe su nombre en honor a Ludwig Prandtl, se encuentra definido por la siguiente formula:

Donde se tiene que: = viscosidad cinemtica. = difusividad trmica Cp = capacidad calorfica a presin constante. = viscosidad. k = conductividad trmica.Se considera que el nmero de Prandtl es bajo (como todos los metales lquidos), cuando la conduccin de calor es efectiva en comparacin a la conveccin, pero cuando la conveccin es eficiente transfiriendo calor en comparacin con la conduccin, entonces se considera que el nmero de Prandtl es alto. Como se puede apreciar en la siguiente tabla, los valores del nmero de Prandtl se dan para los distintos materiales, tanto los metales lquidos que tienen nmeros de Prandtl bajos, como tambin los gases que poseen un nmero de Prandtl de 0,70, mientras que los valores altos del nmero de Prandtl se manifiestan en los fluidos viscosos.Para los gases, lquidos no metlicos u oleosos, la de magnitud que tiene el nmero de Prandtl viene a ser 1, pero cabe indicar que dicha magnitud vara con la temperatura o la presin pero en poco grado. Se sabe que el nmero de Prandtl controla el espesor de las capas lmite y trmica, esto siempre y cuando existan inconvenientes en la transferencia de calor. Cuando el nmero de Prandtl es bajo, se sobreentiende que el calor es difundido de manera rpida, esto en comparacin a la velocidad. El nmero de Nusselt es una magnitud bastante utilizada para la determinacin del coeficiente detransferenciade calor por conveccin, basada en el anlisis dimensional, la cual es utilizada para determinar parmetros a travs de relaciones de similitud. El nmero de Nusselt tambin es funcin de otro nmero adimensional, el nmero de Reynolds, as como el nmero de Prandtl

Clculo del nmero de NusseltEl nmero de Nusselt proporciona una medida de la transferencia convectiva decaloren la superficie, siendo definido como:

donde: Nu = nmero de Nusselt; h = coeficiente de conveccin; L = longitud caracterstica teniendo comovalorpor defecto L = 1; k = coeficiente de conductividad trmica del fluido.Por la definicin del nmero deNuse vuelve fcil darnos cuenta que este debe ser calculado solamente en paredes slidas, as, consideramos entonces superficies slidas a las caras del dominio que tengan velocidades prescritas e iguales a cero. El nmero deNutambin es calculado en la superficie de los bloques slidos. Nmero de Prandtl (Pr): Es unnmero adimensionalproporcional al cociente entre la difusividad demomento(viscosidad) y ladifusividad trmica. Se llama as en honor aLudwig Prandtl.Se define como:

En donde: es la viscosidad cinemtica. es la difusividad trmica. Cpes lacapacidad calorficaa presin constante. es la viscosidad. kes laconductividad trmica.

En elmercuriolaconduccin de calores muy efectiva comparada con laconveccin, por tanto el nmero de Prandtl es bajo como en el resto de metales lquidos. En cambio para el aceite de motor la conveccin es muy eficiente transfiriendo calor comparado con la conduccin, por tanto el nmero de Prandtl es elevado. En problemas detransferencia de calorel nmero de Prandtl controla el espesor relativo de lascapas lmitede momento y trmica. CuandoPres pequeo significa que elcalorse difunde muy rpido comparado con lavelocidad(momento).Conduccin de fluidos en un intercambiador de calor?El proceso de intercambio de calor entre dos fluidos que estn a diferentes temperaturas y separados por una pared slida se realiza en dispositivos denominados intercambiadores de calor. Estos procesos se dan en muchas aplicaciones de ingeniera. Los intercambiadores de calor son muy usados en refrigeracin, aire acondicionado, calefaccin, produccin de energa, y procesamiento qumico. Un ejemplo bsico de un cambiador de calor es el radiador de un automvil, en el que el lquido de radiador caliente es enfriado por el flujo de aire sobre la superficie del radiador. Se vern los principios de transferencia de calor necesarios para disear y/o evaluar el funcionamiento de un intercambiador de calor. Los intercambiadores de calor se pueden clasificar segn:

1 Arreglo del flujo Flujo paralelo Contraflujo Flujo cruzado 2 Tipo de construccin Doble tubo (tubos concntricos) Tubo y coraza Compactos