En muchas ocasiones confundimos los conceptos calor y temperatura en el lenguaje cotidiano. Por eso es fundamental distinguirlos ya que la temperatura es una magnitud física que se refiere a la sensación de frío o calor al tocar alguna sustancia. La temperatura describe el estado térmico de un cuerpo (°C, K): cuánta energía cinética media tienen sus partículas. El calor, en cambio, es energía en tránsito; aparece solo cuando hay diferencia de temperatura y fluye espontáneamente del más caliente al más frío hasta equilibrarse (segunda ley).
Siempre que hay una diferencia de temperatura, se produce una transferencia de calor. Hay tantos procesos que implican transferencia de calor que es difícil imaginar una situación en la que no se produzca. Cuando dos cuerpos tienen distintas temperaturas y se ponen en contacto entre sí, se produce una transferencia de calor desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura.
Mecanismos Fundamentales de Transferencia de Calor
La transferencia de calor puede ocurrir por tres mecanismos principales:
- Conducción: Consiste en la transferencia de calor entre dos puntos de un cuerpo que se encuentran a diferente temperatura sin que se produzca transferencia de materia entre ellos. Es la transferencia de calor a través de materia inmóvil por contacto físico. En un metal, la imagen incluiría también electrones de valencia libres que colisionan entre sí y con átomos, lo cual igualmente transfiere energía.
- Convección: Es la transferencia de calor por el movimiento macroscópico de un fluido. Es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masa o circulación dentro de la sustancia.
- Radiación: Es el calor emitido por un cuerpo debido a su temperatura; en este caso no existe contacto entre los cuerpos, ni fluidos intermedios que transporten el calor. La transferencia de calor por radiación se produce cuando se emiten o absorben microondas, radiación infrarroja, luz visible u otra forma de radiación electromagnética.
En muchos casos, la transferencia de calor debido a la radiación es insignificantemente pequeña como en comparación con la transferencia de calor por conducción o convección entre una superficie y un fluido.
La Convección como Mecanismo de Transferencia de Calor
La convección es la transferencia por movimiento del fluido. Tiene lugar dentro de un fluido cuando una parte del fluido se mezcla con otra. La transferencia de calor por la convección se puede clasificar según la naturaleza del flujo.
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Tipos de Convección
La convección se divide en dos tipos principales:
- Convección Natural: Puede ser producida solo por las diferencias de densidades de la materia. En convección natural, el movimiento nace del empuje (diferencias de densidad); el fluido caliente sube y el fluido frío se hunde porque la densidad disminuye al aumentar la temperatura.
- Convección Forzada: Ocurre 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. Los flujos causados por medios externos, como un ventilador, una bomba o viento atmosférico se clasifican como convección forzada. En convección forzada, el movimiento lo creas con bombas/ventiladores.
Cuando existe un movimiento apreciable del gas o líquido, la transferencia de calor por conducción se vuelve insignificantemente pequeña en comparación con la transferencia de calor por convección en el gas o líquido. Sin embargo, siempre existe una delgada capa límite de fluido en la superficie, y la transferencia de calor por conducción se produce a través de esta película delgada. Cuando la transferencia de calor por convección ocurre dentro de un fluido, es por combinación efectos de conducción y movimiento de fluidos. Generalmente, el calor transferido es el calor sensible del fluido.
Ley de Enfriamiento de Newton y Coeficiente de Convección
La transferencia de calor que ocurre entre una superficie sólida y un fluido es proporcional al área superficial y a la diferencia de temperatura entre el fluido y la superficie sólida; esto se conoce como la ley de enfriamiento de Newton, donde h representa el coeficiente de transferencia de calor por convección. Para aplicar la ecuación de la ley de enfriamiento de Newton, se requiere determinar el coeficiente de transferencia de calor "h".
Dimensionamiento y Números Adimensionales en Convección
En el análisis del mecanismo de transferencia de calor por convección, las ecuaciones gobernantes comúnmente no están dimensionalizadas combinando las variables y agrupándolas en números adimensionales; esto reduce el número total de variables. El coeficiente de transferencia de calor h se no está dimensionalizado con el número de Nusselt, donde Y denota la longitud característica y k denota la conductividad térmica del fluido. El número de Nusselt también se conoce como coeficiente de transferencia de calor por convección adimensional y lleva el nombre de Wilhelm Nusselt. Las correlaciones de Nusselt-Reynolds se pueden utilizar para este propósito.
Importancia del Flujo Laminar y Turbulento
El primer paso para obtener una solución de un problema de transferencia de calor por convección es determinar si la capa límite es turbulenta o laminar. El movimiento de fluidos dentro de la capa límite laminar está altamente ordenado y las líneas de corriente a lo largo de las cuales se mueven las partículas pueden ser identificadas. Por el contrario, en la capa límite turbulenta, el movimiento de fluidos es muy irregular y se caracteriza por las fluctuaciones en velocidad que comienza a desarrollarse en la región de transición; después de la capa límite de transición, existe una capa límite turbulenta completa.
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Estas fluctuaciones de velocidad aumentan la transferencia de calor, cantidad de momento y especies y, por lo tanto, aumentan la fricción superficial y las tasas de transferencia de calor por convección. La subcapa laminar es aproximadamente lineal y el transporte está dominado principalmente por la difusión, así como por el perfil de velocidad. Además, existe una capa de amortiguamiento contigua en la que la mezcla turbulenta y difusión son comparables. El valor del número de Reynolds en el que se produce la transición de laminar a turbulento se conoce como número de Reynolds crítico.
En industria buscamos turbulencia controlada porque eleva el coeficiente de película (h) y, con él, la tasa de intercambio. Equilibrio turbulencia-∆P: más turbulencia ⇒ más intercambio y más caída de presión.
Flujo Externo y Correlaciones Experimentales
Cuando el flujo de un fluido no está confinado a un canal o pasaje específico, y fluye sin límites sobre cualquier superficie, como una tubería, placa, cilindro o esfera, se clasifica como flujo externo. Para determinar las tasas de transferencia de calor para casos de flujo externo, se utilizan varias correlaciones entre los parámetros adimensionales número de Nusselt, número de Reynolds y número de Prandtl. Estas correlaciones se desarrollaron basadas en datos experimentales. Las propiedades del fluido requeridas para obtener estos parámetros adimensionales normalmente se toman a la temperatura de la película Tfm.
Coeficiente Total de Transferencia de Calor (Valor U)
El coeficiente total de transferencia de calor, o valor U, se refiere a qué tan bien se conduce el calor a través de una serie de medios resistentes. Este coeficiente está influenciado por el espesor y la conductividad térmica de los materiales a través de los cuales se transfiere el calor. Cuanto más grande el coeficiente, más fácil se transfiere el calor desde su fuente hacia el producto que está siendo calentado. From this equation it can be seen that the U value is directly proportional to Q, the heat transfer rate. Assuming the heat transfer surface and temperature difference remain unchanged, the greater the U value, the greater the heat transfer rate.
Las incrustaciones en la superficie de la pared del material pueden representar una barrera adicional a la transferencia de calor. Este problema puede ocurrir por múltiples razones, tanto del lado del medio de calentamiento como del lado del producto. Las incrustaciones pueden agregarse a la ecuación de arriba, incluyendo la proporción de su espesor (LF) sobre su conductividad (λF), pero típicamente se incorpora y expresa como un factor de incrustación (fouling factor) para un intercambiador que ha estado "en servicio".
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