Los ciclos de potencia de gas (página 2)

10. Refrigeración

En el sentido técnico, refrigeración significa mantener un
sistema a
temperatura
menor que la d sus alrededores. Esto no puede suceder de forma
natural, de modo que debe emplearse un dispositivo que permita
lograr lo anterior.
Existen varios sistemas de
refrigeración que se utilizan en la
práctica para llevar a cabo tal función;
como el sistema de
licuación y licuefacción a baja temperatura de
Linde y hampson.
Refrigeración es el proceso por el
que se reduce la temperatura de un espacio determinado y se
mantiene esta temperatura baja con el fin, por ejemplo, de
enfriar alimentos,
conservar determinadas sustancias o conseguir un ambiente
agradable. El almacenamiento
refrigerado de alimentos
perecederos, pieles, productos
farmacéuticos y otros se conoce como almacenamiento en
frío. La refrigeración evita el crecimiento de
bacterias e
impide algunas reacciones
químicas no deseadas que pueden tener lugar
temperatura ambiente.
El uso de hielo de origen natural o artificial como refrigerante
estaba muy extendido hasta poco antes de la I Guerra Mundial,
cuando aparecieron los refrigeradores mecánicos y
eléctricos. La eficacia del
hielo como refrigerante es debida a que tiene una temperatura de
fusión
de 0 °C y para fundirse tiene que absorber una cantidad
de calor
equivalente a 333,1 kJ/kg. La presencia de una sal en el
hielo reduce en varios grados el punto de fusión del
mismo. Los alimentos que se mantienen a esta temperatura o
ligeramente por encima de ella pueden conservarse durante
más tiempo.
El dióxido de carbono
sólido, conocido como hielo seco o nieve carbónica,
también se usa como refrigerante. A la presión
atmosférica normal no tiene fase líquida, y sublima
directamente de la fase sólida a la gaseosa a una
temperatura de -78,5 °C. La nieve carbónica es
eficaz para conservar productos a
bajas temperaturas mientras dura su sublimación.
En la refrigeración mecánica se obtiene un enfriamiento
constante mediante la circulación de un refrigerante en un
circuito cerrado, donde se evapora y se vuelve a condensar en un
ciclo continuo. Si no existen pérdidas, el refrigerante
sirve para toda la vida útil del sistema. Todo lo que se
necesita para mantener el enfriamiento es un suministro continuo
de energía y un método
para disipar el calor. Los dos
tipos principales de sistemas
mecánicos de refrigeración son el sistema de
compresión, empleado en los refrigeradores
domésticos grandes y en la mayoría de los aparatos
de aire
acondicionado, y el sistema de absorción, que en la
actualidad se usa sobre todo en los acondicionadores de aire por calor,
aunque en el pasado también se empleaba en refrigeradores
domésticos por calor.

Sistemas de refrigeración
Se puede efectuar la refrigeración por comprensión
y por absorción.
El sistema de refrigeración que más se emplea es el
de comprensión. En las máquinas
de este tipo constituye la parte central del sistema la bomba o
compresor, que recibe vapor a baja presión y
lo comprime. Con esta operación se elevan
considerablemente la presión y la temperatura del vapor.
Luego, este vapor comprimido y calentado fluye por el tubo de
salida hasyte el condensador o permutador térmico, donde
el vapor cede su calor al agua o
aire frío
que rodea al condensador. En esta forma su temperatura desciende
hasta el punto de condensación, y se convierte en
líquido con la correspondiente liberación de calor
que ocurre en estos casos.
El agente frigorífico, en estado
líquido, pasa del condensador hasta un receptáculo
y de allí fluye por un conducto o válvula, o el
tubo reductor, disminuye la presión del líquido a
medida que fluye dentro del vaporizador para enfriarlo. Este
vaporizador se haya en el espacio que desea refrigerar. El aire
tibio de este recinto le transmite, por contacto, al vaporizador
parte de su calor, y hace que el líquido se evapore. Como
se ve este nuevo cambio de
estado, de
líquido a vapor, se efectúa aumentando la
temperatura. A continuación, aspira el compresor, por el
tubo de succión, el vapor caliente del evaporador, y,
después de volverlo a comprimir, lo impulsa al
condensador, como se explicó anteriormente. Se repite
así el proceso en
ciclos continuos. En las grandes instalaciones refrigeradoras se
utiliza generalmente amoníaco como agente
frigorífico, mientras que en los refrigeradores
domésticos se emplea anhídrido sulfuroso, cloruro
de metilo y freón. Desde que se comenzó a
refrigerar mediante sistemas mecánicos se ha aumentado
constantemente el número de agentes frigoríficos,
lo cual se debe a las investigaciones
efectuadas por los químicos en su afán de hallar
nuevas sustancias con características apropiadas para responder a
las necesidades planteadas por los nuevos usos y tipos de
instalaciones. Los refrigerantes sintéticos conocidos con
el nombre de freones, constituyen un buen ejemplo del resultado
alcanzado gracias a las investigaciones
científicas.
En el sistema de absorción se consigue el enfriamiento
mediante la energía térmica de una llama de
gas, de
resistencias
eléctricas, o de la condensación del vapor de
agua a baja
presión. La instalación tiene una serie de tubos de
diversos diámetros, dispuestos en circuito cerrado, los
cuales están llenos de amoniaco y agua. El amoniaco
gaseoso que hay en la instalación se disuelve
fácilmente en el agua,
formando una fuerte solución de amoniaco. Al calentarse
ésta en la llama de gas, o por otro
medio, se consigue que el amoniaco se desprenda en forma de gas
caliente, lo cual aumenta la presión cuando este gas se
enfría en el condensador, bajo la acción de agua o
aire frío, se produce la condensación y se
convierte en amoniaco líquido. Fluye así por una
válvula dentro de evaporador, donde enfría el aire
circundante absorbiendo el calor de éste, lo cual produce
nuevamente su evaporación. A continuación, entra el
amoniaco, en estado gaseoso, en contacto con el agua, en la
cual se disuelve. Esta fuerte solución de amoníaco
retorna, impulsada por la bomba, al gasificador o hervidor, donde
la llama de gas se calienta. Entonces vuelve a repetirse el
ciclo.
Tanto el sistema de enfriamiento por absorción como el de
compresión, están basados en los cambios de estado
del agente frigorífico. Ambos sistemas tienen condensador,
vaporizador y el medio adecuado para crear la presión
necesaria que motive la condensación, tal como un
compresor o una fuente que produzca calor.

Ciclo Inverso De Carnot (Ciclo Frigorífico)
Éste utiliza un sistema del tipo de compresión
mecánica de un vapor. El índice de
eficacia de un
sistema de refrigeración no es una eficiencia, sino
la relación conocida como coeficiente de
funcionamiento(COP), que se define como el calor suministrado
dividido entre el trabajo
neto realizado:
COP= Qent./Wnet.
Como el ciclo de Carnot es el mejor u óptimo posible, el
COP (o CF) correspondiente a tal ciclo suele utilizarse como base
de comparación de los valores de
COP obtenidos en otros ciclos.

Refrigerantes
Para cada refrigerante existe una temperatura específica
de vaporización asociada con cada presión, por lo
que basta controlar la presión del evaporador para obtener
la temperatura deseada. En el condensador existe una
relación similar entre la presión y la temperatura.
Durante muchos años, uno de los refrigerantes más
utilizados fue el diclorodifluorometano, conocido como
refrigerante-12. Este compuesto clorofluorocarbonado (CFC)
sintético se transformaba en vapor a -6,7 °C a
una presión de 246,2 kPa (kilopascales), y
después de comprimirse a 909,2 kPa se condensaba a
37,8 °C.
En los refrigeradores pequeños empleados en las viviendas
para almacenar comida, el calor del condensador se disipa a la
habitación donde se sitúa. En los acondicionadores
de aire, el calor del condensador debe disiparse al exterior o
directamente al agua de refrigeración.
En un sistema doméstico de refrigeración, el
evaporador siempre se sitúa en un espacio aislado
térmicamente. A veces, este espacio constituye todo el
refrigerador. El compresor suele tener una capacidad excesiva, de
forma que si funcionara continuamente produciría
temperaturas más bajas de las deseadas. Para mantener el
refrigerador a la temperatura adecuada, el motor que impulsa
el compresor está controlado por un termostato o
regulador.
Los congeladores para alimentos ultracongelados son similares a
los anteriores, sólo que su compresor y motor tienen que
tener la potencia y
tamaño suficientes para manejar un mayor volumen de
refrigerante con una presión menor en el evaporador. Por
ejemplo, para mantener una temperatura de -23,3 °C con
refrigerante-12 se necesitaría una presión de
132,3 kPa en el evaporador.
El refrigerante-12 y otros dos CFC, el refrigerante-11 y el
refrigerante-22, eran los principales compuestos empleados en los
sistemas de enfriamiento y aislamiento de los refrigeradores
domésticos. Sin embargo, se ha descubierto que los CFC
suponen una grave amenaza para el medio ambiente
del planeta por su papel en la
destrucción de la capa de ozono.
Según el Protocolo de
Montreal, la fabricación de CFC debía finalizar al
final de 1995. Los hidroclorofluorocarbonos, HCFC, y el
metilbromuro no dañan la capa de ozono
pero producen gases de
efecto
invernadero. Los HCFC se retirarán en el 2015 y el
consumo de
metilbromuro se limitará en un 25% en 1998. La industria de
la refrigeración debería adoptar rápidamente
otros compuestos alternativos no perjudiciales, como el
metilcloroformo.

Consideraciones Relativas Al Refrigerante
La siguiente cuestión es importante para saber que tipo de
sustancia debemos utilizar en el sistema de refrigeración.
Hay muchas opciones como la tabla 1, pero es deseable tener una
presión de entrada al compresor que sea igual o mayor que
la atmosférica, de modo que el aire no se infiltre en el
sistema de refrigeración.

Grupo de seguridad 1:
toxicidad despreciable.
Grupo de
seguridad 2:
Tóxico, flamable, o ambas cosas

Frigorífico Por Compresión De Vapor
Existen algunas desventajas del sistema que acabamos de
mencionar. Primero, los compresores de
movimiento
alternativo no deben operar con una mezcla de líquido y
vapor más saturados, puesto que el aceite lubricante del
cilindro puede ser arrastrado o barrido durante el proceso de
compresión. Segunda, el trabajo
realizado en el expansor resultaría muy pequeño
comparado con el que tiene lugar en el compresor. En cambio este
tipo de refrigeración resuelve estos problemas, en
dos modos. Primero, el proceso de expansión en un proceso
de estrangulación irreversible para la cuál solo se
necesita una válvula adecuada y segundo, el refrigerante
recibe calor hasta convertirse en vapor saturado.
El primer modo de refrigeración que utilizó el ser
humano fue el contacto con trozos de hielo. Una vez que
desarrolló medios
más elaborados para producir su efecto frigorífico,
expresó su capacidad en términos de una unidad
accesible derivada del efecto de fusión del hielo. El
"calor latente de fusión" del hielo vale 334.9 KJ/Kg, que
es el valor usual.
En la práctica se utiliza el efecto frigorífico
producido por una tonelada inglesa de hielo, es decir 907.18kg,
por tanto el efecto es 3.0384 x 105 KJ.

Sistemas Frigoríficos Por Compresión De
Vapor En Cascada
En este caso, en vez de tener un escalonamiento como en los pasos
de un compresor, todo el sistema se hace funcionar en etapas o
cascada. Esto permite la obtención de temperaturas menores
para la refrigeración, con una cantidad fija de trabajo de
compresión. La presión óptima entre etapas
es pi, que equivale a pi = (phpl)1/2 donde ph es la
presión máxima y pl es la presión
mínima.

Sistemas Frigoríficos Por Absorción De
Vapor
El mayor gasto operativo de los sistemas de refrigeración
por compresión de vapor se debe a que el trabajo (el 100%
de la energía disponible) es empleado para transferir
calor desde una cierta temperatura hasta otra mayor, No obstante,
el trabajo se transforma en calor y es cedido por el sistema en
el condensador. Para corregir este uso de la energía
disponible, podemos utilizar la propiedad de
absorción de gases por
parte de ciertos líquidos aprovechando para transmitir
calor desde una cierta temperatura hasta otra más alta. En
el proceso de absorción se observa una reacción
química de
liberación de calor (exotérmica). Como el vapor se
condensa en otro fluido la entalpía de dicho vapor
así como el calor de la reacción tienen que ser
extraídos. Existen varios tipos de sistemas de
refrigeración por absorción de vapor, entre ellos
el de amoníaco y agua, el de agua y bromuro de litio y el
de agua y cloruro de litio.
Aquí veremos el de agua y amoniaco. Los otros dos utilizan
el agua como refrigerante, lo cuál resulta muy
práctico en el acondicionamiento de aire donde no se
necesita una temperatura menor de 0°C sin embargo, el sistema
de amoniaco y agua es capaz de proporcionar temperaturas debajo
de 0°C y alcanzar temperaturas tan bajas como las del sistema
por compresión de vapor de amoniaco. En este caso, el
amoniaco es el refrigerante(R) y el agua es el portador (P). El
vapor de amoniaco es absorbido por el agua en estado
líquido.

Bomba Térmica (Convertidor Térmico)
La llamada bomba térmica (o sistema de bombeo de calor) es
un convertidor térmico reversible. Puede emplearse para
calefacción doméstica en invierno y para
acondicionamiento de aire fresco durante el verano.
Básicamente se trata de un sistema frigorífico por
compresión de vapor provisto de una combinación de
fuente y resumidero de calor que se instala en el exterior, y
funciona como la primera o el segundo según el clima imperante.
El compresor está diseñado de acuerdo con la mayor
demanda
(calentamiento o enfriamiento).
En invierno se empleará para calefacción el calor
cedido en el condensador. Por lo general, se utilizan sistemas de
calefacción con aire caliente junto con los convertidores
reversibles. El condensador enfriado por aire ambiente es
así el calefactor doméstico. El evaporador, o sea,
el absorbedor de calor que interviene en un sistema de
refrigeración, se coloca en el exterior de la casa. El
serpentín del evaporador puede colocarse en un pozo de
agua o en una pila o estanque, en caso de ser posible; de lo
contrario se instalará simplemente expuesto al aire. El
coeficiente de funcionamiento que corresponde a esta modalidad de
operación (calefacción = heating) es:
COPh = efecto deseado/suministro = qsal/Wnet = h3-h4/h3-h2
En verano el evaporador se colocará dentro de la casa y el
condensador fuera. El calor generado o existente en las
habitaciones será absorbido por el evaporador; luego el
refrigerante será comprimido y enfriado posteriormente. El
condensador también puede colocarse en un estanque o en un
pozo de agua; si no fuera posible el equipo de
condensación será enfriado por el aire exterior. Es
obvio que con algunos tubos adicionales y un par de
válvula, el condensador y el evaporador podrían
invertir sus funciones, sin
cambio de lugar, dependiendo del efecto deseado. El coeficiente
de funcionamiento que corresponde a esta modalidad de
operación (refrigeración = cooling) es:
COPc = efecto deseado/suministro = qentr/ Wnet = h2-h1/h3-h2
La capacidad de un convertidor térmico, la potencia del
motor del compresor, así como la cantidad de refrigerante
deben evaluarse considerando ambas modalidades de
operación. La de mayor demanda
determinará la capacidad del sistema. Debido a la mayor
capacidad necesaria en la calefacción, el empleo de una
bomba térmica se aprovecha primordialmente en las regiones
donde la temperatura invernal no es demasiado baja. La demanda de
acondicionamiento de aire permanente (o sea para todo el
año) ha intensificado en algunos países de los
sistemas de bombeo térmico, aún en regiones con muy
bajas temperaturas invernales. Otra razón de ello es que
el costo del
combustible se ha elevado hasta un punto tal, que la bomba
térmica resulta ahora competitiva, desde el punto de vista
económica, con los aparatos de combustión para calefacción
doméstica.

Criogenia Y Licuefacción De Gases
Los procesos de
refrigeración que tienen por objeto la producción de temperaturas muy bajas
reciben el nombre de criogénicos. El límite exacto
a partir del cual se considera una temperatura como
criogénica no se encuentra rigurosamente definido; sin
embargo, diversas autoridades establecen que temperaturas entre
173°K y 123°K pueden denominarse criogénicas. Para
obtener tales temperaturas se utilizan sistemas
frigoríficos en cascada, como las analizadas
anteriormente.
En el sistema en cascada se emplean distintos refrigerantes en
cada etapa, de manera que la temperatura del evaporador en el
paso de temperatura más baja será la adecuada al
propósito deseado; por ejemplo para la licuación o
licuefacción de un gas. Se usan distintos refrigerante, y
la presión a la entrada del compresor se mantiene siempre
arriba de la presión atmosférica; esto evita la
infiltración del aire externo y significa también
que el volumen
específico en la entrada no será suficientemente
grande que ocasione un aumento importante en el trabajo necesario
para llevar acabo la compresión.
Los gases se encuentran muy sobrecalentados, lo cuál
explica porque podemos utilizar la ecuación de estado del
gas ideal. Un fenómeno termodinámico importante, el
efecto de Joule y Thompson se emplea con frecuencia en operaciones
criogénicas o de licuefacción de gases.
Un proceso de estrangulación no produce cambio de
entalpía y por tanto, en el caso de un gas ideal, la
temperatura permanece constante:
h = u + pv = cvT + RT
Sin embargo, en los gases reales el proceso de estrangulamiento
produce un cambio de temperatura, ascendente o descendente. El
coeficiente de Joule-Thompson, µ, se define como:
µ =(d
T/d
p)h
Un valor positivo
de µ indica que la temperatura disminuye conforme desciende
la presión, y de esta manera se observa un efecto de
enfriamiento. Esto es válido para casi todos los gases a
presiones y temperaturas ordinarias. Las excepciones las
constituyen el hidrógeno, el helio y el neón, los
cuales presentan un incremento de temperatura con una
disminución de presión, por lo cual µ < 0.
Aun para estos gases existe una temperatura arriba de la cual el
coeficiente de Joule-Thompson cambia de negativo a positivo. Tal
valor se conoce como temperatura de inversión, y ésta se tiene que
µ = 0.

Refrigeración del motor
La refrigeración del motor; que tiene por objeto mantener
dentro de los límites de
seguridad la temperatura de sus órganos. El refrigerante
más empleado es el agua, y el sistema de
refrigeración utilizado es el de la circulación
forzada mediante bomba. La refrigeración por aire es mucho
más simple; consiste en hacer circular una corriente de
aire entre los cilindros, que van provistos de aletas para
aumentar la superficie de
refrigeración.

11. Transferencia de calor.

Principios fundamentales
Siempre que existe una diferencia de temperatura en el universo, la
energía se transfiere de la región de mayor
temperatura a la de menor temperatura. De acuerdo con los
conceptos de la termodinámica, esta energía
transmitida se denomina calor.
Las leyes de la
termodinámica tratan de la transferencia de
energía, pero siempre se refieren a sistemas que
están en equilibrio, y
solo pueden utilizarse para predecir la cantidad de
energía requerida para cambiar un sistema de un estado de
equilibrio a
otro, por lo que no sirven para predecir la rapidez con que
puedan producirse estos cambios.
La ciencia
llamada transmisión o transferencia de calor complementa
los principios
primero y segundo de la termodinámica clásica,
proporcionando los métodos de
análisis que pueden utilizarse para
predecir la velocidad de
la transmisión del calor, además de los
parámetros variables
durante el proceso en función
del tiempo.
Para un análisis completo de la transferencia del
calor es necesario considerar mecanismos fundamentales de
transmisión: conducción, convección y
radiación,
además del mecanismo de acumulación. El
análisis de los sistemas y modelos de
intercambio de calor requieren familiaridad con cada uno de estos
mecanismos y sus fundamentos, así como de sus
interacciones.
En este capítulo se consideran los principios
básicos de la transmisión del calor y algunas
aplicaciones simples, para tratar a continuación con
detalle los casos particulares y sus modelos de
análisis específicos, relacionados con situaciones
reales de cerramientos de edificios.
Tal como se expuso en la introducción general, no serán
objeto de este estudio los casos de transmisión de calor
relacionados con la transferencia de masa, tales como la
permeabilidad al aire de los cerramientos y las condensaciones,
ni los casos de existencia de fuentes o
sumideros de calor en el interior de los cerramientos diferentes
a la simple acumulación.
El calor puede transmitirse de tres maneras. Puesto que el calor
es la energía de la actividad molecular, una forma simple
de transferencia del mismo, denominada conducción,
será la
comunicación directa de la energía molecular a
través de una sustancia por medio de colisiones entre sus
moléculas. Los metales contienen
electrones "libres", que hacen de ellos buenos conductores de la
electricidad;
estos electrones contribuyen también poderosamente a la
conducción del calor, por esto, los metales son
magníficos conductores térmicos; Convección
es una forma de transmisión del calor de un lugar a otro
por movimiento de
la materia
caliente. Otro tipo de transferencia de calor puede ser por
combinación de radiación
y absorción. En la radiación, la energía
térmica se transforma en energía radiante, similar
en su naturaleza a la
luz. En
realidad, una parte de esta radiación es luminosa. En esta
forma, la energía radiante puede atravesar distancias
enormes antes de ser absorbida por un cuerpo y transformada de
nuevo en calor. Por ejemplo, la energía radiante
procedente del sol se convierte en calor en la superficie de
la Tierra ocho
minutos después de su salida.

Conducción
La cantidad de calor que fluye a través de un cuerpo por
conducción depende del tiempo, del área a
través de la cual fluye, del gradiente de temperatura y de
la clase de material.
La conducción es el estar en circulación, la
conducción se encuentra normalmente en combinación
con la convección. Por consiguiente, la conducción
pura tiene lugar funda-mentalmente en los sólidos opacos,
en donde el movimiento de masa se encuentra impedido.
Considérese un experimento, que consiste en una barra
uniforme de sección A perfectamente aislada sobre todos
los lados excepto en los extremos; es decir, el calor sólo
puede fluir en la dirección x. Cuando un extremo de la barra
se mantiene a ti y el otro a t2, se transferirán de manera
continua Q Btu/hr de la estación CD a la
estación @. Si el área de la sección de la
barra se duplica mientras se mantienen constantes las
demás condiciones, se encontrará que ahora se
transfiere 2Q. En otras palabras, el ritmo al que se transfiere
calor es directamente proporcional al área de la
sección de la barra en la dirección normal ala dirección del
flujo e calor. Regresando a la barra original, se hace ahora que
la diferencia de temperatura (tl –tJ) sea el doble de su
valor original, y de nuevo se encuentra que el ritmo con que se
transfiere calor es 2Q; en consecuencia, se concluye que el ritmo
con que se transfiere calor es directamente proporcional ala
diferencia de temperaturas entre los extremos de la barra. Por
último, regresando a las condiciones originales, se hace
ahora la barra del doble de largo (2L), y en esta ocasión
se encuentra que sólo se transfiere la mitad de la
cantidad de calor, lo que lleva a la conclusión de que el
ritmo de transferencia de calor es inversamente proporcional a la
longitud de la barra. Si se combinan estos hechos en un enunciado
matemático, se tiene
Q µ
A(t1 – t2)
L
O bien: Q = -k
A(t1 – t2)
L
Donde la constante de proporcionalidad, k, es una propiedad del
material llamada conductividad térmica. El signo negativo
se introdujo en la ecuación para indicar un flujo de calor
positivo en la dirección en que se incrementa x, que es la
dirección en la que decrece la temperatura. La
conductividad, k, por lo regular se encuentra como función
de la temperatura, pero para temperaturas moderadas y diferencias
moderadas de temperatura puede considerarse como una constante.
Si ahora se rescribe la ecuación en términos
más generales para una conducción en una sola
dimensión, se tiene
Q = -k
AD
t
D
x
La ecuación se llama ley de Fourier de
la conducción del calor en una dimensión, en honor
al físico francés Joseph Fourier. En esta
ecuación el ritmo con que se transfiere calor, Q, se
e?<:presa en las unidades inglesas de ingeniería usuales como Btu/hr, el
área normal A en pies cuadrados, la diferencia de
temperatura Al en oF y la longitud Ax en pies, lo que da k en
unidades de Btu/(hr)(ft2)(OF /ft). Esta unidad de k a menudo se
escribe como Btu/(hr-ft °F).
La nomenclatura de
la ecuación se muestra en la
figura 9.3. En la tabla9.1 se proporcionan las conductividades
térmicas de algunos sólidos a la temperatura
ambiente, y en la figura 9.4 se muestra la
variación de la conductividad térmica como
función de la temperatura para muchos materiales. En
unidades SI, k tiene unidades de
W/m.oC ó J/s.m.oC.
Los desarrollos anteriores se basan en los eventos
observables en un experimento hipotético. La
conducción del calor también puede suponerse como
el efecto de la transferencia de energía por medio de
moléculas más activas a una temperatura más
elevada chocando con moléculas menos activas a una
temperatura más baja. Los gases tienen espacios
moleculares más grandes que los líquidos y muestran
regularmente conductividades térmicas menores que los
líquidos. Debido a la compleja estructura de
los sólidos, algunos tienen valores
grandes de k mientras que otros tienen valores bajos
de k. Sin embargo, para los metales cristalinos que son buenos
conductores eléctricos, existe un gran número de
electrones libres en la estructura
reticular que los hace también buenos conductores
térmicos.
La ecuación de Fourier tiene una analogía directa
con la ley de Ohm para
los circuitos
eléctricos. Esto puede observarse rescribiendo la
ecuación en la siguiente forma:
Q = D t
Rt
Donde Rt = D x/kA y se denomina resistencia
térmica. La ley de Ohm para
una resistencia de
corriente directa puede expresarse como:
i = D E
Rt
Donde D E es la diferencia de potencial (en volts),
Rt la resistencia eléctrica ( en ohms)e i es la
corriente (en amperes). Una comparación de la ley de Ohm y la
ecuación de Fourier muestra que Q es análoga
a i ,
D t a
D E y
Rt.

Existen grandes diferencias de conductividad
térmica para distintos materiales.
Los gases tienen una conductividad muy pequeña.
Igualmente, los líquidos son en general malos conductores.
En el caso de los sólidos, la conductividad térmica
varía de una forma extraordinaria, desde valores
bajísimos, como en el caso de las fibras de amianto, hasta
valores muy altos para l caso de los metales.
Los materiales fibrosos, como el fieltro o el amianto, son muy
malos conductores (buenos aislantes) cuando están
secos ; si se humedecen, conducen el calor bastante bien.
Una de las dificultades para el uso de estos materiales como
aisladores es el mantenerlos secos.
La conductividad térmica es una propiedad física de cada
sustancia, y puede variar ligeramente en función de la
temperatura y de las características particulares del material,
como puede ser el contenido de humedad de los materiales
constructivos. En los casos que el material no sea
homogéneo, como las fábricas de ladrillo, o que su
estructura sea anisótropa, como es el caso de la madera,
será preciso determinar la conductividad para la
dirección del flujo considerado.

Convección
La transferencia de calor por convección de un cuerpo
comprende el movimiento de un fluido en relación con el
cuerpo. Si el movimiento es provocado por las diferencias de
densidad
debidas a la diferencia de temperatura en las diferentes
localidades del fluido, se conoce como convección natural.
Si el movimiento del fluido es provocado por un agente externo
como un ventilador, se denomina convección forzada. La
transferencia de calor desde una superficie cuya temperatura es
mayor que la del fluido de los alrededores ocurre de un modo
complejo. No obstante, es posible imaginarla como si ocurriera en
el siguiente orde. Primero, las partículas del fluido
adyacente a las paredes se calientan por conducción desde
la pared, lo que incrementa sus temperaturas. Estas
partículas "calientes" chocarán con
partículas frías, proporcionándoles parte de
su energía. Esta acción ocurrirá debido
tanto al movimiento de las partículas como al movimiento
del fluido más caliente en relación con el fluido
más frío. Para distinguir los tipos de mecanismos
de transferencia de calor convectivos, es necesario analizar en
forma breve el mecanismo de flujo.
El término flujo laminar ( o aerodinámico) se
aplica a un régimen de flujo en el que el flujo es suave y
el fluido se mueve en estratos o trayectorias paralelas entre
sí. Cuando un fluido se mueve en un flujo laminar sobre
una superficie más caliente, se transfiere calor
principalmente por medio de la conducción molecular dentro
del fluido y desde un estrato hasta otro. Este tipo de
transferencia de calor por convección conduce a ritmos de
transferencia de calor bajos. En contraste con el flujo laminar
existe el régimen de flujo conocido como flujo turbulento.
Como su nombre lo indica, este tipo de flujo se caracteriza por
corrientes que provocan la mezcla de los estratos de fluido hasta
que estos estratos se hacen indistinguibles. La mezcla del fluido
debido a esta turbulencia hace que se incremente la transferencia
de calor, y por tanto mientras mayor sea la
turbulencia, mayor será el ritmo de transferencia de
calor.
La ecuación básica para la transferencia de calor
por convección se conoce como ley de Newton de
enfriamiento y está dada por
Q = hA(D t)
Q= flujo de transferencia de calor (Btu/hr)
A = área de transferencia de calor
(ft2)
D
t = diferencia de temperatura entre la superficie y el
fluido fuera de la superficie (°F).
h = el coeficiente de transferencia de calor, coeficiente de
película, conducatancia convectiva térmica o factor
de transferencia de calor de película
(Btu/hr×
ft2× °F)
Por comparación de las dos ecuaciones,
puede escribirse la resistencia térmica para la
transferencia de calor por convección,
Rc,
Rc = 1 .
hA

La transferencia de calor por corrientes de
convección en un líquido o en un gas, está
asociada con cambios de presión, debidos comúnmente
a cambios locales de densidad. Un
aumento de temperatura en un fluido va acompañado por un
descenso de su densidad. Si aplicamos calor en la base de un
recipiente, el fluido, menos denso en esta parte debido al
calentamiento, será continuamente desplazado por el fluido
más denso de la parte superior. Este movimiento que
acompaña a la transmisión del calor se denomina
convección libre. Ejemplos clásicos de
convección son : el movimiento del viento sobre la
tierra, la
circulación del aguan en un sistema de calefacción
doméstico. Algunas veces las diferencias de presión
se producen mecánicamente mediante una bomba o un
ventilador ; en tal caso, se dice que la conducción
del calor ocurre por convección forzada. En ambos casos,
el calor pasa hacia dentro o fuera de la corriente a lo largo del
recorrido.
El método de
las corrientes de convección es uno de los más
eficaces de transferencia de calor y debe tenerse en cuenta
cuando se diseñe o construya un sistema de aislamiento. Si
se dejan en una casa grandes espacios sin paredes, se forman muy
fácilmente corrientes de convección,
produciéndose pérdidas de calor. Sin embargo, silos
espacios se rompen en pequeños recintos, no son posibles
las corrientes de convección y las pérdidas de
calor por este método son muy pequeñas.
Por esta razón, los materiales aislantes usados en las
paredes de refrigeradores o en las de las casas son poroso:
viruta de corcho, corcho prensado, lana de vidrio u otros
materiales similares. Estos, no solamente son malos conductores
por sí mismos, sino que dejan además
pequeños espacios de aire, que son muy malos conductores
y, al mismo tiempo, lo suficientemente pequeños para que
no se produzcan corrientes de convección.

El mecanismo de la convección
Cuando una superficie se pone en contacto con un fluido a
distinta temperatura se produce, en los primeros instantes, una
transmisión de calor por conducción, pero una vez
que el fluido en contacto con la superficie modifica su
temperatura sufre una diferencia de densidad respecto al resto
del fluido, que hace que sea desplazado por éste al actuar
las fuerzas gravitatorias, lo que incrementa la transferencia del
calor en una magnitud muy superior al de la mera
conducción. Este fenómeno se denomina
convección libre o natural, que es la que se suele
considerar en ambientes interiores, ya que se estima que el aire
permanece prácticamente en reposo.
Otro caso es aquel en que el aire se mueve fundamentalmente
debido a fuerzas exteriores, tales como el viento, en cuyo caso
el proceso de transferencia de calor se incrementa notablemente y
se denomina convección forzada, que es el que
habitualmente se considera en superficies en contacto con el
ambiente exterior.
Existe un tercer caso, intermedio entre los anteriores, en que
las fuerzas actuantes, debidas a la variación de la
densidad y las acciones
exteriores (viento), son de magnitud parecida,
produciéndose una superposición de los efectos de
la convección libre y la forzada, y que se denomina
convección mixta. Es el caso mas general porque en la
práctica siempre hay variación de densidad y
además el aire no está en reposo
absoluto

Radiación.
La transferencia de calor por radiación no requiere
ningún medio material intermedio en el proceso. La
energía se traslada desde la superficie del sol hasta
la tierra,
donde es absorbida y convertida en energía
calorífica. La energía emitida por un filamento de
lámpara eléctrica atraviesa el espacio entre
filamento y bulbo aunque no tenga ningún gas en su
interior. Energía de esta naturaleza la
emiten todos los cuerpos. Un cuerpo que absorbe esta
energía radiante la convierte en calor, como resultado de
un aumento de su velocidad
molecular.
Todos los cuerpos calientes emiten energía radiante. Una
estufa, por ejemplo, emite energía radiante hasta que
encuentra cualquier objeto donde, en general, es parcialmente
reflejada, parcialmente absorbida y parcialmente transmitida.
Sucede lo mismo que con la luz, excepto que
no produce sensación en la vista. La energía
radiante calorífica difiere de la luz únicamente en
la longitud de onda.
Hay grandes diferencias en la transparencia de las diversas
sustancias a la radiación calorífica. Algunos
materiales tales como el caucho duro, óxido de
níquel, vidrios especiales o una disolución de
sulfuro de carbono y
yodo, opaca a la luz, son casi transparentes a las radiaciones
caloríficas. Los vidrios de ventana ordinarios, casi
completamente transparentes a la luz, absorben radiaciones
caloríficas.
El tejado de vidrio de un
invernadero es transparente a las radiaciones visibles y al
infrarrojo próximo procedente del sol. Esta energía
se convierte en calor cuando es absorbida por los objetos que
están dentro del invernadero. Estos objetos se calientan y
radian energía, pero, dado que su temperatura no es alta,
la radiación calorífica que emiten no es
idéntica a la que recibieron. El vidrio no transmite esta
energía calorífica y, por tanto, la energía
radiada por los cuerpos que están dentro del invernadero
no puede salir. Un invernadero actúa, por tanto, como una
trampa para energía, y dado que las pérdidas por
radiación y convección se previenen en alto grado,
la temperatura interior puede ser muy superior a la del exterior,
siempre que reciba energía
solar directa.

Mecanismo de la radiación.
La radiación es un proceso por el cual fluye calor desde
un cuerpo de alta temperatura a un cuerpo de baja temperatura,
cuando éstos están separados por un espacio,
inclusive el vacío absoluto.
La energía transmitida de esta forma se denomina calor
radiante o energía radiante que es de la misma naturaleza
que la luz visible ordinaria y viaja a una velocidad de 300 000
Km/s. (3 x 1010 cm/s) con la diferencia
únicamente en sus respectivas longitudes de onda.
La cantidad de energía radiante puede evaluarse mediante
la siguiente expresión:
e = s T4
Donde:
s = Constante de
Stefan-Boltzman = 0,1741 x 10-8 BTU/ft2
oR
T = Temperatura en grados absolutos.

Cuando la radiación incide sobre un cuerpo, es
parcialmente absorbida, parcialmente reflejada y parcialmente
transmitida, a través del cuerpo.
Luego: a
+ r
+ t =
1
a :
Fracción absorbida o absorbancia
r : Fracción reflejada o
Reflexión
t
: Fracción Transmitida o transmisividad.

 Consideremos el intercambio de calor
radiante entre superficies, en un medio que no absorbe, emite ni
dispersa la radiación, que puede ser el vacío o
aire a baja temperatura.
La radiación de
superficies reales difiere en varios aspectos a la
radiación del cuerpo negro, mientras que la energía
radiada por un cuerpo negro es:
e = s T4

Un cuerpo real radia menos energía que un cuerpo
negro a la misma temperatura
e =e s T4

La emisividad es función de la longitud de onda,
para los materiales que son buenos conductores eléctricos
tales como el
cobre,
aluminio, etc.
La emisividad decrece con el aumento de la longitud de onda. Los
materiales no conductores de la electricidad como
la arcilla, plástico,
loza, etc. Su emisividad aumenta con la longitud de onda.
Para cálculos de transferencia de calor se requiere una
emisividad promedio o una absorbancia promedio para la banda de
longitudes de onda en la que emite o absorbe la mayor parte de la
radiación.
Para dos cuerpos radiadores de igual geometría
a temperaturas T1 y T2 el calor transferido
es:
qr = s
A (T14 –
T24)
Para dos cuerpos reales de igual geometría
a temperaturas T1 y T2 el calor neto
transferido será:
Para dos cuerpos reales de geometría diferente, el calor
neto transferido será:
Siendo:
FA : Factor de visión llamado también
factor de ángulo, que tiene en cuenta el ángulo
sólido medio con que una superficie ve a otro.
Fe : Factor que depende de las emisividades individuales y en
algunos casos de la relación de áreas.
Muchas veces en ingeniería es conveniente representar el
efecto neto de la radiación de la misma forma empleada en
la convección:
Donde hr es el coeficiente de transferencia de calor
por radiación

Intercambiadores de calor.
Cuando se transfiere calor de un fluido a otro en un proceso
industrial, sin mezclarlos, los fluidos están separados y
la transferencia de calor se lleva a cabo en un aparato conocido
como intercambiador de calor. Un intercambiador de calor puede
ser de diversas formas y tamaños, y usualmente está
diseñado para realizar una función
específica. Las plantas de
generación a vapor usan intercambiadores de calor como
condensadores,
economizadores, calentadores de aire, calentadores del agua de
alimentación, recalentadores, etc. es
común diseñar intercambiadores de calor por medio
de su forma geométrica y sus direccioners relativas de
flujo de los fluidos de transferencia de calor.

La ley de Newton para
los intercambiadores de calor puede escribirse así,
Q = UA(D
t)m
Donde U es la conductancia total o el
coeficiente de transferencia de calor total que tiene las mismas
unidades físicas que el coeficiente de convección
h, Btu/hr ft2 °F; A es la superficie de
transferencia de calor en pies cuadrados; y (D t)m es una diferencia
de temperatura media adecuada. El coeficiente de transferencia de
calor total, U, en la ecuación, por lo regular no es
constante para todas las parteds del intercambio de calor, y su
valor local es función de las temperaturas locales del
fluido. Sin embargo, es una práctica común evaluar
los coeficientes de tansferencia de calor individuales con base
en la media aritmética de las temperaturas de los fluidos.
Por analogía con la convección se tiene I/UA =
resistencia.

12.
Bibliografía

CURSO DE FÍSICA GENERAL
Tomo 1
Cuarta Edición
Frish, S
Impreso en la URSS
Editorial MIR
LAROUSSE ENCICLOPEDIA CIENTÍFICA
Tomo2
García-Pelayo, Ramón
Impreso en México
Ediciones Larousse
Termodinámica. Kenneth Wark Jr. (Mc. Graw-Hill).
Manual del
ingeniero Mecánico. Eugene A. Avallone Theodore Baumeister
(Mc Graw-Hill)
Enciclopedia de la Ciencia y
tecnología. (DENAE).(tomo 6)

• Enciclopedia Encarta ’98
• Enciclopedia Barsa, Tomo XVIII

TERMODINÁMICA
Irving Granet.
Tercera edicición.
Prentice Hall.

Autor:

Anonimo