Asignatura grado 2024

De acuerdo con la memoria verificada, los contenidos de la asignatura Transmisión de Calor son los siguientes:

• Introducción y conceptos básicos en transmisión de calor
• Transmisión de calor por conducción
• Transmisión de calor por conducción en superficies extendidas:
• Transmisión de calor por conducción en régimen variable
• Transmisión de calor por convección forzada en régimen laminar y turbulento
• Transmisión de calor por convección libre en régimen laminar y turbulento
• Transmisión de calor en los cambios de estado: condensación y ebullición
• Radiación: procesos y propiedades
• Transmisión de calor por radiación entre superficies 

Estos contenidos se desarollan en los siguientes temas

La termodinámica enseña que la energía se puede transferir entre un sistema y su entorno en forma de calor o de trabajo. Para que exista una transmisión de calor entre dos sistemas ha de existir una diferencia de temperatura entre ambos, cesando dicha transmisión cuando se alcanza el equilibrio térmico. El objetivo de este tema y de los siguientes es ampliar el análisis termodinámico a través del estudio de los modos y de la velocidad de la transferencia de calor.

En este capítulo se da una visión general de los tres modos de transmisión de calor que existen: conducción, convección y radiación. Posteriormente se explican las propiedades térmicas más importantes de los materiales. Y se finaliza con una introducción al siguiente capítulo, que es la obtención de la ecuación general de la conducción del calor.

En este tema se estudia la transmisión de calor por conducción particularizada para el caso de conducción unidimensional en régimen permanente o estacionario. De forma matemática, las dos hipótesis anteriores se expresan de la siguiente forma:

• Conducción unidimensional significa que la temperatura (y, por tanto, la transmisión de calor) es función de una única variable espacial. En concreto, en este capítulo se van a estudiar tres casos: pared plana, pared cilíndrica y pared esférica.
• Conducción en régimen permanente o estacionario significa que el campo de temperaturas del sistema no depende del tiempo.

A pesar de que las dos hipótesis anteriores pueden parecer muy simplificadoras, existen numerosos sistemas en ingeniería que pueden modelarse bajo estos supuestos.

Este tema comienza analizando la transmisión de calor por conducción estacionaria unidimensional para el caso de una pared plana. Se introducirá el concepto de resistencia térmica, condiciones de frontera y coeficiente global de transmisión de calor. De forma paralela se va a introducir el estudio de la conducción estacionaria y unidimensional a través de una pared cilíndrica. En este apartado se verán conceptos similares a los vistos en pared plana, y se incorporará la definición de radio crítico, que se debe de tener en cuenta en los aislamientos. Por último se estudiará la conducción estacionaria unidimensional para el caso de pared esférica.

En segundo lugar, el tema estudia la conducción en régimen permanente unidimensional cuando existe generación interna de calor, particularizada para pared plana y pared cilíndrica.

Por superficie extendida se entiende un sistema sólido que experimente una transmisión de calor por conducción y, al mismo tiempo, por convección (y/o radiación, si se diera el caso) con los alrededores. Aunque existen multitud de superficies extendidas, lo más habitual es que dicha superficie se emplee para acelerar la transferencia de calor entre la superficie primaria a la que va adosada y el fluido que lo rodea y, en ese caso, se llama aleta. Las aletas son particularmente útiles cuando el coeficiente de película es pequeño o en convección de gases.

Para el análisis que se va a realizar a continuación se va a asumir que, en la aleta, la transferencia de calor es en una dimensión. El calor también se transfiere por convección (y/o radiación) desde la superficie a los alrededores.

El tema comienza con una breve introducción a los tipos de aletas, así como el planteamiento de la ecuación general de transmisión de  calor en una aleta. Posteriormente, esta ecuación se particulariza para dos tipos de aletas, obteniendo en ambos casos la distribución de temperaturas y el flujo de calor: aletas longitudinales y agujas de sección recta constante y aletas anulares de perfil rectangular uniforme. Se introduce asimismo el concepto de efectividad de la aleta y su cálculo, de forma analítica y de forma gráfica, para ambos tipos de aletas.

Este último tema dedicado a la conducción del calor trata del régimen transitorio. En ese caso, la temperatura depende del tiempo, por lo que dicho término no se puede despreciar en la ecuación general de la transmisión de calor.

El tema se ha dividido en dos grandes bloques, según se considere que la temperatura depende o no de las coordenadas espaciales. Cuando la temperatura es espacialmente uniforme se aplica el método de la resistencia interna despreciable. Cuando la tempera varía espacialmente, es necesario resolver una ecuación diferencial, para lo cual se aplican una serie de hipótesis y aproximaciones, para dos geometrías concretas: pared plana y pared cilíndrica.

Existen en ingeniería muchos procesos donde es necesario aplicar las ecuaciones de transmisión de calor en régimen variable, por ejemplo:

• Una instalación que presenta gran inercia térmica: el tiempo que tarda en alcanzar régimen estacionario es una parte importante de la duración total del proceso.
• Cuando el tiempo es una variable esencial del problema: congelación de productos alimenticios, esterilización de conservas, cocido de materiales cerámicos, tratamiento térmico de piezas metálicas, operación de regeneradores.

En muchos problemas para transmisión de calor por conducción se trabaja con geometrías y/o condiciones de frontera complejas, que no permiten obtener una solución analítica sencilla.

Para estos problemas, la mejor alternativa es a menudo utilizar métodos numéricos. Debido a la facilidad de su aplicación, el método de diferencias finitas es adecuado para un tratamiento introductorio de la técnicas numéricas.

En el tema 1 se introdujo ya la transmisión de calor por convección como aquella que tenía lugar en la interfaz entre un sólido y un fluido, o en el seno de un fluido, motivada fundamentalmente por los movimientos de masa en el interior del mismo.

En el tema 2, al estudiar la transmisión de calor por conducción, se han utilizado los coeficientes de película como condiciones de frontera en los problemas.

Este tema se centra en el estudio de las leyes físicas que gobiernan la transmisión de calor por convección forzada, así como en la recopilación de las correlaciones empíricas más habituales utilizadas en la determinación del coeficiente de película en convección forzada, distinguiendo entre régimen laminar y turbulento.

El primer apartado de este capítulo se dedica precisamente a definir los conceptos anteriormente citados. A continuación se hace un estudio de las leyes que rigen la transmisión de calor por convección, mostrando la necesidad de adimensionalizar el problema; el estudio termina con la definición de los números adimensionales más comúnmente utilizados en transmisión de calor por convección. Por último, se ha hecho una recopilación de las correlaciones empíricas más habitualmente empleadas.

El tema anterior se ha centrado en la transmisión de calor por convección forzada. En este tema se va a estudiar la transmisión de calor por convección libre, que se produce cuando el movimiento del fluido no está inducido por ningún medio externo. En ese caso, la velocidad del fluido en un punto suficientemente alejado de la superficie de transmisión de calor es nula, y sólo se produce algún movimiento en las proximidades de ésta si existe un gradiente térmico; dicho gradiente es el que provoca la diferencia de densidad, que a su vez se traduce en una fuerza de empuje, que es la que induce el movimiento.

Aunque, aparentemente, pueda parecer que la convección libre tiene menos aplicaciones que la convección forzada, existen muchos procesos en los que el calor se transmite de este modo, por ejemplo en los radiadores para aire ambiental y en los serpentines de las unidades de refrigeración.

Este tema sigue un orden paralelo al ya empleado en la convección forzada. Se hace un primer estudio de las ecuaciones que gobiernan la convección libre, introduciendo los números adimensionales correspondientes. A continuación se hace un resumen de las principales correlaciones empíricas empleadas en convección libre.

En todos los procesos de transmisión de calor por convección analizados en los temas 5 y 6, el fluido permanecía en una única fase. En este tema se van a estudiar los procesos de convección en los que el fluido cambia de fase; en concreto, la condensación y la ebullición, es decir, cambios de fase líquido-gas. Los cambios de fase sólido-gas y sólido-líquido, aunque son importantes, tienen una aplicación industrial más reducida (los primeros se utilizan por ejemplo como protección térmica en aplicaciones aeroespaciales; los segundos en almacenamientos térmicos, fundamentalmente).

Los cambios de fase se incluyen dentro de la transmisión de calor por convección porque implican movimiento de un fluido. Ese movimiento está motivado por las fuerzas de empuje debido a la diferencia de densidad entre las dos fases. Existen además otros dos parámetros importantes que caracterizan la condensación y ebullición: el calor latente de vaporización/condensación (h_lv) y la tensión superficial σ en la interfaz líquido-vapor. Estos efectos combinados son la causa de que los coeficientes de película sean mucho mayores en procesos con cambio de fase que sin él, aun cuando en condiciones de equilibrio la temperatura sea aproximadamente constante si la presión se mantiene constante.

Como aplicaciones industriales en las que se emplean los cambios de fase que se van a estudiar, puede citarse la ebullición en las calderas de combustible fósil, en los generadores de vapor de una central nuclear y en algunos receptores de colectores solares de alta temperatura; los condensadores de proceso y los condensadores de los ciclos de potencia; los condensadores y evaporadores en los ciclos de refrigeración por compresión mecánica; etc.

Este tema comienza con conceptos generales, los números adimensionales utilizados y distintos tipos de condensación y ebullición, para luego centrarse en las correlaciones utilizadas para los casos más comunes: condensación en película laminar y turbulenta sobre placa/cilindro vertical, condensación en película sobre placa horizontal y condensación en película sobre cilindro horizontal; ebullición en estanque nucleada y ebullición en estanque en película sobre esferas o cilindros horizontales.

La transmisión de calor por radiación se produce por la emisión de energía de la materia que se encuentra a una temperatura finita. Esta energía es transportada por ondas electromagnéticas (o alternativamente, fotones). Mientras que la transmisión de energía por conducción o convección requiere de un medio material, la radiación no lo precisa e, incluso, se transmite mejor en el vacío.

Aunque este modo de transmisión de calor se ha resumido en un único tema, no por ello deja de ser importante, participando de manera esencial en multitud de procesos de la ingeniería. Cabe destacar, por ejemplo, la transmisión de calor por radiación que tiene lugar en las grandes calderas industriales. Asimismo, los procesos radiativos involucrados en el aprovechamiento de la energía solar, con o sin espejos concentradores.

Este tema se ha dividido en 3 apartados. En primer lugar, se estudian magnitudes fundamentales en la transmisión de calor por radiación. A continuación se introducen las propiedades ópticas más importantes de la materia. El tercer apartado está dedicado a las leyes fundamentales que rigen los procesos radiativos. 

En este capítulo se considera el intercambio radiativo entre dos o más superficies. Este intercambio depende en gran medida de las formas y orientaciones de las superficies, así como de sus propiuedades radiativas y temperaturas.

Para estudiar estos intercambios se supone que el medio en no participa, es decir, no tiene efecto sobre la transmisión de calor entre superficies. Ejemplo de este medio es el vacío, aunque los gases también .cumplen con bastante aproximación esta hipótesis.