La transferencia de calor es un concepto fundamental en la ingeniería y la física, siendo un mecanismo de transferencia de energía en el que la energía térmica se transfiere de las partículas más energéticas a las vecinas menos energéticas.
Modos de Transferencia de Calor
El calor se transfiere de tres formas diferentes: por conducción, por convección y por radiación. Conocer los diferentes tipos de transferencia de calor es crucial en diversas aplicaciones industriales.
Conducción
La conducción es la transferencia de calor a través de un material sólido. Se produce cuando las moléculas de una sustancia vibran y transfieren energía a las moléculas adyacentes. La conducción ocurre en sólidos, líquidos y gases. En los sólidos, la transferencia de energía se produce debido a las vibraciones moleculares de la red, así como al movimiento de electrones libres. Se puede clasificar en unidimensional, bidimensional o tridimensional, dependiendo de la variación de temperatura dentro del medio. La conductividad térmica es una medida de la capacidad de un material para conducir el calor.
Convección
La convección es la transferencia de calor por el movimiento de fluidos (líquidos o gases). Un ejemplo de convección es el agua hirviendo.
Radiación
La radiación es la transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas. Por ejemplo, el calor del sol cuando nos da en la cara o al tostar una nube de golosina al fuego.
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Concepto de Resistencia Térmica
En aplicaciones de transferencia de calor, el concepto de resistencia térmica es útil para analizar problemas de estado estable. Este concepto es similar al concepto de resistencia eléctrica, donde la tasa de flujo de calor Q es análoga al flujo de corriente a través de una resistencia eléctrica.
En los circuitos eléctricos, la corriente fluye entre dos puntos en virtud de una diferencia de potencial entre ellos. Del mismo modo, en circuitos térmicos, una diferencia de temperatura se asemeja al voltaje y la tasa de transferencia de calor se asemeja a la intensidad de corriente eléctrica. El estado estacionario se refiere a las condiciones que no cambian con el tiempo.
Deducción de Fórmulas de Resistencia Térmica por Conducción
En condiciones de estado estacionario, la tasa de transferencia de calor por conducción hacia la pared es igual a la tasa de transferencia de calor dentro de la pared, que es igual a la tasa de transferencia de calor fuera de la pared.
Pared Plana
En condiciones de estado estacionario, dado que la tasa de transferencia de calor por conducción a través de la pared plana es constante y la conductividad térmica no varía, la variación de temperatura con respecto a la posición (dT/dx) también es una constante. Por lo tanto, existen distribuciones lineales de temperatura dentro de la pared. En este caso, el área A corresponde al área normal a la dirección de transferencia de calor.
Paredes Compuestas
Las paredes compuestas se componen de una serie de capas de diferentes materiales con diferentes propiedades y espesores. Tales casos incluyen una serie de resistencias térmicas en serie o en paralelo que surgen de las diferentes capas de materiales. La tasa de transferencia de calor está asociada con la diferencia de temperatura y la resistencia térmica de cada capa.
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Geometría Cilíndrica
El concepto de resistencia térmica también se puede aplicar a un cilindro. Considere un cilindro que tiene un radio interno r1 y un radio exterior r2. Las superficies interior y exterior del cilindro están sujetas a fluidos a diferentes temperaturas. Para esta geometría, en la ubicación r para un cilindro de longitud L, el área A se expresa como 2πrL.
Geometría Esférica
Considere la transferencia de calor por conducción en una esfera hueca que tiene un radio interno r1 y un radio externo r2, con temperaturas interiores y exteriores T1 y T2, y conductividad térmica constante sin generación de calor. La ecuación de conducción de calor para el sistema de coordenadas esféricas también se obtiene aplicando el balance de energía en un elemento diferencial de volumen de coordenadas esféricas. En este caso, el área A, que denota el área normal a la dirección de la transferencia de calor, es 4πr2.
Coeficiente Global 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. El coeficiente global de transferencia de calor también puede representarse como HA, donde H denota el coeficiente global de transferencia de calor.
Por ejemplo, en el caso del calentamiento de agua, la transferencia de calor ocurre básicamente desde el fluido 1 (fuente de calor) a través de un sólido conductor (pared metálica) hacia el fluido 2 (agua, el producto que será calentado). Sin embargo, también debe considerarse la resistencia de película. Además, en ciertas aplicaciones especiales como en los procesos de calentamiento en procesos farmacéuticos o biotecnológicos, esa transferencia de calor puede ocurrir a través de varias capas de materiales.
Factores que Afectan la Resistencia Térmica y el Valor U
La selección de materiales y las condiciones operativas influyen significativamente en la transferencia de calor. A continuación, se presentan algunos ejemplos y factores clave:
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Dos tanques enchaquetados de acero al carbono (λ = 50 W/(m °C)) con una pared interna de 15 mm de espesor, se usan para calentar agua. Uno utiliza agua caliente como fuente de calor, mientras que el otro utiliza vapor. Ahora, imagine que la misma pared de transferencia del tanque también está revestida con vidrio de un espesor de 1 mm (λ = 0.9 W/(m °C)).
| Material | Espesor (mm) | Conductividad Térmica (λ) (W/(m °C)) |
|---|---|---|
| Acero al carbono | 15 | 50 |
| Revestimiento de vidrio | 1 | 0.9 |
Para ciertos equipos de intercambio de calor como tanques enchaquetados de acero al carbono, cambiando la fuente de calor de agua caliente hacia vapor, puede mejorar potencialmente el valor de U y significativamente la transferencia de calor si el material de la pared es altamente conductivo. No obstante, algunos procesos pueden requerir determinado material de pared, como revestimiento de vidrio, para prevenir la reactividad con el producto.
Incrustaciones (Fouling)
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. Por ejemplo, la presión del vapor a veces es aumentada para crear la presión necesaria para empujar el condensado a través de la válvula de control de salida en un recipiente nivelador. Sin embargo, con un aumento de la presión dentro del intercambiador de calor, la temperatura del vapor aumenta como consecuencia, y este calor excesivo puede causar un aumento de incrustaciones del lado del producto.
Las incrustaciones pueden agregarse a la ecuación, incluyendo la proporción de su espesor (LF) sobre su conductividad (λF), de la misma manera que se agregó el revestimiento de vidrio, pero típicamente se incorpora y expresa como un factor de incrustación (fouling factor) para un intercambiador que ha estado "en servicio".
Importancia y Aplicaciones de la Transferencia de Calor
La transmisión de calor en un intercambiador de calor es, en cada punto, una función de la diferencia de temperatura predominante y del coeficiente de transferencia de calor total. La transferencia y recuperación del calor son cruciales en diversos sectores, como la fabricación, la automoción y la energía. Al gestionar y utilizar el calor de forma eficaz, las industrias pueden mejorar su eficiencia y reducir costes.
Sector de Fabricación
En la fabricación, la transferencia de calor eficiente es fundamental para el forjado de metal, el moldeo de plásticos y la producción de productos químicos. Una gestión térmica adecuada garantiza la calidad del producto y reduce el consumo de energía.
Sector Automotriz
En el sector de la automoción, la transferencia de calor es fundamental para la refrigeración del motor, el control de climatización y la gestión de la batería de los vehículos eléctricos. Un sistema térmico eficaz mejora el rendimiento y la vida útil del vehículo al aislar eficazmente el calor de los componentes críticos.
Sector Energético
En el sector energético, la transferencia de calor es clave para la generación de energía, ya sea a través de combustibles fósiles tradicionales o de fuentes renovables como la energía solar y la eólica. Los sistemas de intercambio de calor eficientes maximizan la producción de energía y minimizan los residuos.
Sistemas de Aire Comprimido
El calor descontrolado en los sistemas de aire comprimido puede provocar daños en los equipos, una reducción de la eficiencia y la condensación de humedad. La recuperación de calor implica capturar y reutilizar el calor residual generado durante la compresión.