Transmisión de Calor y Combustión: Conceptos y Aplicaciones en Tecnología Industrial

Capa Límite

La capa límite es la capa en la superficie donde se manifiestan los efectos de la viscosidad. Se clasifica según la velocidad y la temperatura. Puede ser:

• Laminar: Las capas se deslizan entre ellas, y el calor se transmite desde la superficie al fluido principalmente por conducción.
• Turbulenta: Se producen fluctuaciones transversales que generan una mezcla, aumentando la transmisión de calor.

Coeficiente de Dilatación Térmica

El coeficiente de dilatación térmica (β) representa la variación relativa del volumen de un sistema ante un aumento de temperatura. Se define como: β = (1/V) (dV/dT).

Difusividad Térmica

La difusividad térmica (α) se define como: α = k / (ρCp), donde k es la conductividad térmica, ρ es la densidad y Cp es el calor específico a presión constante.

Viscosidad

La viscosidad puede ser:

• Dinámica (μ): Relaciona el esfuerzo cortante (τ) con el gradiente de velocidad en la dirección normal a la superficie del sólido: τ = μ (dv/dy).
• Cinemática (ν): Se define como: ν = μ / ρ.

Conducción

La conducción es el intercambio de energía cinética por contacto directo. Se rige por la Ley de Fourier: Q = kA(ΔT/e), donde Q es el flujo de calor, k es la conductividad térmica, A es el área de transferencia, ΔT es la diferencia de temperatura y e es el espesor.

Ecuación General de Conducción. Condiciones de frontera:

• 1ª Clase: Especifican el valor de la temperatura en la superficie en un instante dado.
• 2ª Clase: Definen el flujo de calor en una posición específica: -k(dT/dx)|_x=0 = q₀.
• 3ª Clase: La superficie límite está sujeta a transmisión de calor por convección hacia un fluido con temperatura conocida: -k(dT/dx)|_x=0 = h(T_l - T_inf).

Resistencia y Conductancia Térmica

La resistencia térmica (R) relaciona el flujo de calor con el gradiente de temperatura: Q = ΔT/R. La conductancia térmica (C) se define como: Q = CΔT.

Coeficiente Global (U): Cantidad que, multiplicada por la superficie y la diferencia de temperatura entre los fluidos, proporciona el flujo de calor intercambiado: Q = UAΔT, donde U = 1 / (A∑R).

Factor de Forma (S): Se utiliza para superficies no unidimensionales: Q = kSΔT.

Convección

La Ley de Enfriamiento de Newton se utiliza para determinar el coeficiente de transferencia de calor por convección (h): Q = hA(T_s - T_inf).

Números Adimensionales:

• Reynolds (Re): Re = vρL/μ = Fuerzas de Inercia / Fuerzas Viscosas.
• Grashof (Gr): Gr = gβ(T_s - T_inf)L³/ν² = Fuerzas de Empuje / Fuerzas Viscosas.
• Prandtl (Pr): Pr = μC_p/k = ν/α = Difusividad Molecular del Movimiento / Difusividad Molecular del Calor.
• Nusselt (Nu): Nu = hL/k = Calor por Convección / Calor por Conducción.
• Stanton (St): St = h / (ρC_pv).
• Rayleigh (Ra): Ra = gβL³(T_s - T_inf) / (να) = Gr * Pr.
• Peclet (Pe): Pe = Re * Pr.

Flujo Externo:

• Placa plana: Se utiliza la longitud (L) como dimensión característica. Nu = 2Nu_x. La transición a flujo turbulento ocurre aproximadamente a Re = 5 * 10⁵.
• Cilindro, esfera y banco de tubos: Se utiliza el diámetro (D) como dimensión característica.

Flujo Interno Laminar: Se considera flujo laminar interno cuando Re < 2300.

Convección con Cambio de Fase: Transferencia de calor debida al calor latente más el movimiento por fuerzas de empuje. Si T_s > T_sat, se produce ebullición. Si T_s < T_sat, se produce condensación.

Radiación

La radiación no requiere un medio material ni una diferencia de temperatura (ΔT) para la transferencia de energía. Propiedades: E = A + R + T, donde E es la energía incidente, A es la energía absorbida, R es la energía reflejada y T es la energía transmitida.

Ley de Prevost: Todo cuerpo a temperatura superior a 0 K emite energía radiante.

Ley de Stefan-Boltzmann: La potencia emisiva de un cuerpo negro (W_n) es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta: W_n = σT⁴, donde σ = 5.67 * 10^-8 W/m²K⁴ es la constante de Stefan-Boltzmann.

Ley de Planck: La emitancia es el área bajo la curva de las distintas emitancias monocromáticas: W_n = ∫W_nλ * dλ.

Ley de Desplazamiento de Wien: T * λ_max = 0.2898 cm*K.

Ley Generalizada de Stefan-Boltzmann: La potencia emisiva es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura y a la emisividad (ε): W = σεT⁴.

Ley de Kirchhoff: Todo cuerpo es capaz de absorber radiaciones con la misma longitud de onda que las que él emite: ε_λ = α_λ.

Raciosidad (J): Energía radiante total emitida por un cuerpo.

Irradiación (G): Energía radiante que incide sobre un cuerpo.

Constante Solar: I_s = W_n / S_r = 1353 W/m².

Declinación (δ), Latitud (φ), Altura Solar (h), Inclinación (S), Azimut (γ), Incidencia (σ).

Intercambiadores de Calor

Los intercambiadores de calor son dispositivos diseñados para transferir energía de un medio a otro. Se clasifican en:

1. Contacto Directo o Mezcla: Los fluidos se mezclan físicamente e intercambian energía. Deben ser insolubles y no reaccionar químicamente.

2. Contacto Indirecto:

a) Regenerativos o Alternativos: Existe un cuerpo intermedio entre los fluidos que intercambian calor (ejemplos: termosifón y heat pipes).

b) Recuperativos o de Superficie: Los fluidos están separados por una superficie.

Tipos de Intercambiadores Recuperativos:

• Flujo Paralelo:
  • Líquido-líquido.
  • De Placas Planas: Utilizados en instalaciones, montados sobre un bastidor. Los fluidos circulan entre las placas.
  • De Tubos: Pueden ser de corriente o equicorriente.
  • Multitubulares o de Carcasa y Tubos.
• Flujo Cruzado:
  • Líquido-gas o gas-gas.
  • De Tubos Aleteados: Se utilizan para líquido-gas, incrementando la superficie del lado del gas para reducir la resistencia térmica.
  • De Placas: Para gas-gas, con acceso de los flujos en dirección perpendicular, logrando elevadas áreas de intercambio.

Combustión

Fuentes de Energía:

• A) Renovables: Energía solar, biomasa, eólica, mareomotriz, hidráulica.
• B) No Renovables: Carbón, petróleo, gas natural, nuclear.

Formas de Generar Calor: Solar térmica, energía nuclear, combustión.

Combustibles:

• A) Sólidos: Carbón, madera, etc.
• B) Líquidos: 95% provienen de la destilación del petróleo.
• C) Gaseosos: W = PCS / √ρ, donde W es el poder calorífico superior (PCS) y ρ es la densidad.

La humedad reduce la cantidad y el poder calorífico inferior (PCI) del combustible.

Análisis Inmediato: Determina el contenido de volátiles, carbono fijo y cenizas.

Punto de Inflamación: Temperatura mínima necesaria para que se produzca la combustión.

Temperatura de Ignición: Temperatura a la cual la combustión se vuelve autosuficiente.

Quemador: Equipo destinado a producir la reacción exotérmica de la combustión, aportando combustible y comburente, realizando la mezcla, encendiendo y evacuando los humos.

Clasificación de Quemadores:

A) Según el Combustible:

1. Sólidos: Parrillas, quemadores mixtos.
2. Líquidos:
   • Gasificación: El líquido se vaporiza por el calor de la llama.
   • Pulverización: Se pulveriza el combustible para que se comporte como un gas.
3. Gases: De antorcha, de corona, de gas compactos.

B) Según el Comburente:

1. Aporte de Aire: Parcial o total.
2. Dirección: Perpendicular o paralelo.

C) Según la Regulación:

1. Todo o nada.
2. Dos etapas: Todo / poco / nada.
3. Modulantes.

D) Según la Forma de Usar el Combustible Líquido o Sólido:

1. Gasificación.
2. Pulverización.