Producción de calor

Termodinámica. Conducción, convección, radiación. Potencia calorífica

  • Enviado por: Eduardo Caturla Y Manuel Monteagudo
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 11 páginas
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MEMORIA

DE

PRODUCCION

DE

CALOR

FUNDAMENTOS TEORICOS:

Formas de transmisión de calor:

El calor de un cuerpo se transmite a otro siempre que exista una diferencia de temperaturas entre ambos.

Este paso se presenta en tres formas:

CONDUCCION: (sólidos)

Es la transmisión de calor por un cuerpo sin desplazamiento de sus moléculas.

En un sólido cada átomo dispone de una posición determinada y cada uno de ellos vibra con una intensidad reflejo de la energía calorífica de que dispone.

Si un átomo vibra mas intensamente que su átomo vecino como consecuencia de los impactos moleculares, cederá parte de ese movimiento al adyacente, intentando de esta forma que ambos se muevan al unísono.

Esta transferencia de movimiento lleva implícito una transferencia de calor sin que en ningún momento haya habido transferencia de masa.

Un paso típico es el calentamiento de una varilla metálica por uno de sus extremos.

La energía calorífica va transmitiéndose por contacto de molécula a molécula desde el extremo caliente al frío.

CONVECCION: (Líquidos y gases)

Es la transmisión de calor por un cuerpo con desplazamiento de las moléculas.

En este caso el calor fluye del emisor calentando el aire ambiente y, a medida que prosigue este calentamiento, disminuye el peso especifico del mismo, haciéndose más ligero y ascendiendo. El natural empuje ascendente del aire origina un movimiento lento del mismo, calentando el local de manera uniforme.

Este tipo de transmisión de calor se produce como consecuencia del movimiento de masa que experimentan los fluidos. Este movimiento puede ser realizado mediante métodos mecánicos externos (bombas, ventiladores, etc.) o bien como resultado de la diferencia de densidades que se produce en el fluido como consecuencia del aporte calorífico al cual esta sometido.

En este caso se habla convección forzada, otro es cuando no existe una ayuda para aumentar el movimiento del fluido, se hablara de convección libre.

Este tipo de transmisión de calor requiere siempre la existencia de masa. En el vacío no existe transmisión de calor por convección.

RADIACION:

Entendemos por radiación térmica aquella radiación electromagnética que se produce en la superficie de los cuerpos como consecuencia de la excitación térmica a la que son sometidos.

Esta radiación es emitida en todas direcciones a la velocidad de la luz sin que exista necesidad de medio alguno de transporte. La radiación se produce incluso a través del vacío.

La intensidad a la que se produce esta transferencia de calor depende fundamentalmente de la temperatura a la que se halle el cuerpo emisor y la naturaleza de las caras del cuerpo.

Cuando esta radiación alcanza a otro cuerpo, esta energía puede ser reflejada, transmitida o absorbida por este. Un cuerpo que sea buen radiador absorberá también con facilidad las radiaciones térmicas que reciba: un mal radiador es asi-mismo, un mal receptor de calor por radiación.

Diríamos que radiación es la transmisión de calor sin contacto de los cuerpos transmitido por ondas o radiaciones.

POTENCIA CALORIFICA: UNIDADES

Unidad de fuerza: newton (N)

Un newton es la fuerza que, aplicada a un cuerpo que tiene una masa de 1 kilogramo, le comunica una aceleración de 1 metro por segundo cada segundo (segundo cuadrado)

Unidad de energía, trabajo, cantidad de calor: julio (j)

Un julio es el trabajo producido por una fuerza de 1 newton, cuyo punto de aplicación se desplaza 1 metro en la dirección de la fuerza:

1 j = 1 N 1 m

Unidad de potencia, flujo radiante: vatio (W)

Un vatio (W) es la potencia que da lugar a una producción de energía igual a 1 julio por segundo:

1 W = 1 j / 1 s

Unidad de energía, cantidad de calor: kilocaloría (Kcal), caloría (cal), Termia (Th).

Una kilocaloría es la cantidad de calor necesario para elevar 1 grado centígrado la temperatura de un litro de agua.

Una kilocaloría son 1000 calorías.

1 Kcal = 1000 cal

1 / 4,187 cal = 1 j

1 j = 0,24 cal

Una Termia (Th) equivale al calor necesario para elevar en un grado centígrado la temperatura de una tonelada de un cuerpo cuyo valor especifico es igual a la del agua a 15°C y a la presión atmosférica normal.

1 Th = 1.000 Kcal

CONCEPTOS DE INTERES:

Coeficiente de conductividad térmica: LAMDA 

El coeficiente de conductividad térmica  representa el poder de conducción del calor del material que se trate, es decir, la cantidad de calor que pasa a través de una pared de 1 m2 de superficie y 1 m de espesor durante una hora, cuando sus caras mantienen 1°C de diferencia de temperaturas.

La conductividad térmica es una unidad característica de cada material, que depende de:

Su naturaleza, su temperatura y de otros factores.

Así, los coeficientes  elevados se corresponden con los buenos conductores del calor y los valores reducidos a los que no lo son, es decir, a los aislantes térmicos.

Unidades: Kcal / (h m2 °C), o bien, W / (m2 °C)

La formula que aplicaremos para averiguar la conductividad térmica de un objeto es la siguiente:

q =  S ( t1 - t2 ) / e

Si tenemos un objeto que tiene 1 m de longitud, que cada cara tiene una superficie de 1 m2 y donde la diferencia de temperatura entre las caras izquierda y derecha es de 1 K (un grado kelvin), (también podría estar expresado en Kcal), tendremos que:

Sustituyendo:

q =  1m2 1 K / 1m

q =  1m 1 K

q =  m K

En una pared de varias capas, de espesores (e) e1, e2, e3 y conductividades 1, 2, 3 se cumple la igualdad:

q = 1 / e1 S ( t1- t2 ) = 2 / e2 S ( t2- t3 ) = 3 / e3 S ( t3- t4 )

La diferencia de temperaturas entre las superficies de una capa es proporcional a la relación ( e /  ) llamada "resistencia de conducción".

La resistencia térmica (r) indica la oposición que ofrece a ser atravesada por un flujo de calor determinada pared, de determinado material, de un espesor e (en metros) y con una superficie S.

La resistividad térmica (r) es la inversa de la conductividad térmica.

r = 1 /  e / S

La resistencia total de conducción en una pared constituida por varias capas tiene el valor de la suma de la resistencia de conducción de todas ellas.

1 / e1 + 2 / e2 + 3 / e3... + en + n = 1 / = coef. de

resistencia

Q =  S ( t1 - t2 )

Ejemplo de calculo:

Valorar la perdida de calor a través de una pared con 20m2 de superficie y 0,5m. de espesor, siendo las temperaturas de sus caras 10°C y 0°C. = 0,6 Kcal/h

Q =  / e S ( t1 - t2 )

Q = 0,6 / 0,5 20 ( 10 - 0) = 240 Kcal/h

La Conductancia Térmica: (C)

Es la cantidad de calor que se transmite a través de la unidad de área de una muestra de material de espesor e, dividida por la diferencia de temperatura entre las caras fría y caliente en condiciones estacionarias (que no cambian con el tiempo).

Unidades: Kcal / (h m2 °C), o bien, W / (m2 °C)

Formula: C = e / 

Resistencia térmica interna: (R)

Es el inverso de la conductividad térmica.

Unidades: h m2 °C / Kcal, o bien, m2 °C / W

Hay que hacer notar que el coeficiente de resistencia térmica interna es de especial utilidad. En efecto, en el caso de que el calor atraviese sucesivamente un conjunto de varias capas de materiales yuxtapuestas, entonces se determinan las resistencias térmicas de los materiales por separado, y, de esta manera, la resistencia térmica del conjunto se obtendrá por simple suma aritmética de las resistencias térmicas parciales obtenidas.

Coeficiente superficial de transmisión de calor:(h)

Con el fin de simplificar la formula siguiente:

Q =  / e S (t1 - t2)

Se usa de forma habitual el coeficiente h, el cual representa el resultado de la fracción existente entre  y e:

h= / e

El coeficiente h recibe el nombre de coeficiente de transmisión por convección, el cual simplifica la igualdad antes indicada, hasta dejarla como:

Q = h S (t1 - t2)

El calculo de la transmisión de calor, es decir, el flujo desde un fluido caliente a otro mas frío a través de una pared supone el conocimiento de los coeficientes de paso de calor " h " en las superficies, además de las propiedades y medidas del material.

Cuando el flujo de calor no varia con el tiempo pueden combinarse las ecuaciones del paso de calor y conducción en la pared, ya que el calor recibido por una de las caras es siempre igual al que atraviesa la pared y al calor cedido por la opuesta.

Diríamos que h es la transmisión térmica por unidad de área hacia o desde una superficie en contacto con aire u otro fluido, debido a la convección, conducción y radiación, dividido por la diferencia de temperatura entre la superficie de material y la temperatura seca de fluido. En el caso del ambiente de un local, será la temperatura del mismo, cuando esta saturado y en reposo, en condiciones de estado estacionario.

El valor del coeficiente superficial depende de muchos factores, tal como el movimiento del aire u otro fluido, las rugosidades de la superficie y la naturaleza y temperatura de ambiente.

Unidades: Kcal / (h m2 °C), o bien, W / (m2 °C)

Resistencia térmica superficial: 1 / h

Unidades: h m2 °C / Kcal, o bien, m2 °C / W

Es el inverso de los coeficientes superficiales de transmisión de calor y su valor depende del sentido del flujo del calor y de la situación exterior de las superficies.

Coeficiente de transmisión de calor: (K)

Unidades: Kcal / (h m2 °C), o bien, W / (m2 °C)

Considerando un cerramiento con caras isotermas, de igual temperatura, que separa dos ambientes, también isotermos, el coeficiente total de transmisión térmica es: Flujo de calor por unidad de superficie (de una de las paredes o de otra superficie interna convencionalmente elegida) y por grado de diferencia de temperatura entre los dos ambientes.

___________1___________

K = 1/he + e1/1 + e2/2 + ... + 1/hi

En donde e1/1 + e2/2... son las resistencias parciales de las distintas laminas que pueden componer la pared.

El coeficiente de transmisión térmica, también a veces llamado coeficiente de transmisión térmica aire-aire, difiere de la conductancia en que, para esta, la diferencia de temperatura se mide entre las dos caras, mientras que para la transmitancia esta medida se realiza entre los dos ambientes a ambos lados de la muestra. De esta manera, la transmitancia térmica comprende la conductancia y los coeficientes superficiales de transmisión de calor.

Resistencia térmica total: ( KG )

Unidades: Kcal / (h m2 °C), o bien, W / (m2 °C)

Según la Norma Básica NBE-CT-79 el coeficiente de transmisión global KG es la media ponderada de los coeficientes de transmisión K de los cerramientos que envuelven un edificio.

Coeficiente de transmisión térmica lineal: (k)

Unidades: Kcal / (h m2 °C), o bien, W / (m2 °C)

Es el flujo de calor que atraviesa un elemento por unidad de longitud del mismo y por grado de diferencia de temperatura. Se suele emplear en elementos en los que prevalece claramente la longitud frente a las otras dimensiones, como, por ejemplo, un puente térmico lineal, el perímetro del edificio, etc.

OTROS CONCEPTOS:

• CALOR ESPECIFICO: Se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad.

En el caso del agua, si la elevación de temperatura es de 14,5 a 15,5°C, el calor especifico es una caloría por gramo o una kilocaloría por kilogramo:

1 cal / (g • °C) = 1 kcal / (kg • °C); en este estado del aire, para elevar en un gramo la temperatura de un kilogramo son necesarios 0,240 kilocalorías = 0,240 kcal / (kg • °C);

• CALOR LATENTE: Se llama calor latente de una sustancia a la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de dicha materia para que cambie de estado, de sólido a liquido o de liquido a gas.

Durante dicho proceso no hay elevación sensible a la temperatura, es decir, el proceso tiene lugar a temperatura constante, y de ahí el nombre de calor latente. Al retornar a su estado inicial la materia cederá de nuevo, a temperatura constante, la misma cantidad de calor. Un ejemplo bien conocido nos lo proporciona el agua, que a la presión atmosférica, cambia el estado sólido a liquido o viceversa, a la temperatura de 100 °C.

• CALOR SENSIBLE: Cuando se trata de procesos de climatización, se llama calor sensible a la energía calorífica empleada en elevar o mantener la temperatura de los locales climatizados. En la realidad, dicho calor sensible no tiene una definición física determinada, aunque puede decirse que es el calor especifico, ya definido anteriormente. El uso de este nombre viene determinado por contraposición al calor latente, también definido y que en los procesos de climatización es muy importante, sobre todo cuando se refiere a la refrigeracion;en estos casos se llama calor latente a la energía empleada en los procesos de condensación y vaporización, necesarios para la regulación de la humedad de los ambientes climatizadores.

NORMATIVA Y REGLAMENTOS:

• ITE 02.2: Condiciones interiores.

• ITE 02.3: Condiciones exteriores

• N.B.E. : CT-79 Condiciones Térmicas de los edificios.

•NORMA UNE 100-011-88 Ventilación.

•NORMA UNE 100-012-84 Zona de bienestar.

OBGETIVOS PROCEDIMENTALES:

1.DISTINTAS FORMAS DE TRANSMISION DE CALOR:

Conducción, seria un típico calentamiento de una varilla metálica por uno de sus extremos.

Radiación, por ejemplo el calor que ejercen los rayos del sol.

En un radiador térmico se convinan la transmisión por conducción, por convección y por radiación.

2.REALIZACION DE PROBLEMAS DE CONVERSION DE UNIDADES:

Expresar 2500 Kcal en J y en kWh.

Puesto que 1 Kcal = 4.187 j

2500 kcal = 2500 kcal • 4.187 j / Kcal =10.467.500 j

Por otra parte, hemos visto que 1 kWh =3.600.000 j por lo que:

10.457.500 j / 3.600.000 j / kWh = 100467.500 / 6.600.000 = 2,907 kWh

por lo tanto:

2.500 kcal = 10.467.500 j = 2,907 kWh

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