Mecanismos de Transferencia de Calor

Conducción Calorífica

La conducción calorífica es un mecanismo de transferencia de energía entre dos sistemas que tiene lugar mediante el intercambio de energía cinética entre las partículas que los constituyen (moléculas, átomos, iones o electrones libres), producido por contacto directo entre ellas. Por tanto, la conducción de calor necesita un soporte de masa para producirse.

Cuando se trata de un fluido, la transmisión de calor está íntimamente relacionada con el movimiento de este. Dicho movimiento tendrá una importante influencia en el resultado de la conducción y habrá que añadirlo a la acción de otros mecanismos, como el contacto directo entre sólidos (conducción) y el efecto de la energía radiante (radiación).

Flujo de Fluidos y Capas Límite

Cuando una corriente fluida se mueve respecto a una pared sólida, el flujo situado justamente en contacto con la pared se adhiere a la misma, de modo que su velocidad relativa es nula. A medida que se aleja de la pared, la velocidad del fluido ya no es nula, variando de acuerdo con un perfil parabólico.

• Flujo Laminar: Si la velocidad del fluido es suficientemente pequeña, el movimiento se produce sin mezcla transversal. Este tipo de movimiento se denomina flujo laminar.
• Flujo Turbulento: Si la velocidad del fluido es alta, se forman torbellinos en su seno, dando lugar a una fuerte mezcla transversal, denominado flujo turbulento.

Mientras se observa el efecto del rozamiento de las paredes, la velocidad del fluido no alcanzará su valor máximo (u””), denominándose a esta zona capa límite dinámica. Aunque exista una zona turbulenta en la capa límite dinámica, su velocidad será siempre menor que la del fluido sin perturbar.

Viscosidad, Inercia y Número de Reynolds

El efecto de la viscosidad del fluido actúa siempre frenando las moléculas y, por tanto, manteniendo el régimen laminar. Frente a las fuerzas viscosas, las fuerzas de inercia actuando sobre el fluido tenderán a provocar turbulencia. El paso de un régimen a otro vendrá expresado por el número de Reynolds, que indica la relación entre las fuerzas de inercia que actúan sobre el fluido y las fuerzas viscosas.

Capa Límite Térmica

Si la temperatura de la superficie de la pared es distinta de la del fluido, se produce transporte de calor en una dirección u otra dependiendo de qué temperatura sea mayor, la de la superficie o la del fluido. La zona del fluido situada en las inmediaciones de la superficie, donde se produce fundamentalmente el transporte de calor, se denomina capa límite térmica.

Transmisión de Calor en Fluidos

En cuanto al mecanismo de transmisión de calor a través del fluido, depende del tipo de movimiento del mismo:

• Si el flujo es laminar, la transmisión del calor en la dirección transversal se efectúa por conducción.
• En flujo turbulento, se superpone a este mecanismo el de mezcla transversal, con un aumento importante del flujo de calor transferido.

Transmisión de Calor por Conducción

Se realiza mediante el intercambio de energía de las partículas que constituyen el medio al chocar y producirse el contacto directo entre ellas. La propiedad física de los materiales que expresa la mayor o menor facilidad de estos para transmitir calor por conducción se denomina conductividad térmica.

Coeficiente de Conductibilidad

El coeficiente de conductibilidad de un cuerpo se refiere a la cantidad de calor que atraviesa en una hora un metro cuadrado de dicho cuerpo, con un espesor de un metro y una diferencia de temperatura de 1°C entre las dos caras del cuerpo. Se designa con el símbolo k. Este coeficiente se expresa en kilocalorías por metro de espesor y por grado de diferencia.

Sobre un mismo plano, de superficie A y de espesor e, cuyas caras se mantienen a temperaturas constantes, el flujo calórico será:

Transmisión de Calor por Convección

La convección es el mecanismo de transferencia de calor que tiene lugar en el seno de un fluido, debido a los movimientos de masa del mismo. Por tanto, se trata de un transporte simultáneo de masa y de energía que precisa de la existencia de un medio fluido.

Tipos de Convección

• Convección Forzada: El movimiento del fluido es provocado, como sucede con un ventilador.
• Convección Natural: El movimiento tiene su origen en las diferencias de densidad creadas por los gradientes de temperatura que existen en la masa del fluido.

Coeficiente de Película

Para estudiar la convección entre la superficie de un sólido y el fluido que la rodea, la influencia de los distintos factores se resume en un coeficiente empírico denominado coeficiente de película, coeficiente de transmisión superficial o coeficiente de convección, representados por h.

Radiación Térmica

La radiación térmica es un proceso de emisión de energía de un sistema por medio de ondas electromagnéticas. Su origen radica en la agitación térmica de las partículas cargadas que constituyen la materia (electrones o iones). La radiación térmica se propaga incluso en el vacío.

Al incidir sobre una sustancia, una parte de la energía queda absorbida por la misma, mientras que el resto es reflejada o transmitida.

Equilibrio y Cuerpo Negro

Cuando se alcanza el estado de equilibrio térmico, la velocidad de absorción de energía proveniente de los cuerpos que rodean es igual a la velocidad con la que emite su propia energía interna. Cuando un cuerpo es capaz de absorber toda la energía que incide sobre él, se denomina cuerpo negro.

Ley de Stefan-Boltzmann

La cantidad de energía radiante emitida en la unidad de tiempo por un cuerpo negro viene dada por la ley de Stefan-Boltzmann.

Coeficiente General de Transmisión (K)

En la práctica, los tres modos de transmisión de calor (conducción, convección y radiación) se producen simultáneamente y no pueden disociarse.

Ejemplo de Transmisión de Calor

El flujo de calor se transmite desde el ambiente 91 (exterior) al ambiente 92 (de la cámara fría) de la siguiente manera:

• Por convección-radiación de la temperatura 91 del aire a la superficie exterior de la pared 9e.
• Por conducción de la temperatura Se en la cara exterior del muro a la temperatura Si de la cara interior a través de los espesores de los diferentes materiales constitutivos del muro.
• Por convección-radiación de la temperatura Si de la cara interior del muro al ambiente 9₂ de la cámara fría.

Aplicación del Aislamiento a Tuberías

La aplicación del aislamiento a tuberías dependerá de la forma y tipo de aislamiento. Se utilizan secciones de tubo rígido (coquillas), que se suministran en longitudes de aproximadamente 90 m. Las uniones circunferenciales de los trozos de aislamiento deberán escalonarse siempre que sea posible. Las uniones longitudinales deberán colocarse arriba y abajo, alternativamente.