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Física y Mecánica de las ConstruccionesETSAM
TEMA 3Transmisión del calor por conducción
y por convección
Física y Mecánica de las ConstruccionesETSAM
3.1 Introducción
ENERGÍA de un sistema:
- ENERGÍA MECÁNICA
- ENERGÍA INTERNA U
FORMAS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA:
Trabajo y calor:
- no son funciones de estado
- función del proceso: formas transitorias de energía
3.1. Introducción
Física y Mecánica de las ConstruccionesETSAM
OBJETIVO: ESTUDIO DE FORMAS BÁSICAS DE TRANSMISIÓN DEL CALOR
Conducción - Convección - Radiación
Intercambio de energía en forma de calor:
- diferencia de temperaturas
- Primer Principio de la Termodinámica: conservación de la energía
- Segundo Principio de la Termodinámica:
SISTEMA CALIENTE ⇒ SISTEMA FRÍO
3.1. Introducción
Física y Mecánica de las ConstruccionesETSAM
¿POR QUÉ ES INTERESANTE ESTE ESTUDIO?
Diferentes condiciones térmicas en exterior e interior de una instalación
Transferencia de calor elevada: pérdida de eficiencia y alto coste energético
1) REDUCCIÓN CONSUMO ENERGÉTICO: adecuado aislamiento
2) CONFORT TÉRMICO EN UN ESPACIO: combinación temperatura y grado de humedad
3.1. Introducción
Física y Mecánica de las ConstruccionesETSAM
- CONDUCCIÓN, CONVECCIÓN Y RADIACIÓN
- PROBLEMAS PRÁCTICOS: PRESENCIA DE LAS TRES, UNO PREDOMINA
3.2. Modalidades básicas de transmisión del calor
3.2. Modalidades básicas de transmisión del calor
Física y Mecánica de las ConstruccionesETSAM
CONDUCCIÓN:
- intercambio de energía cinética: movimiento de electrones libres
- soporte material
3.2. Modalidades básicas de transmisión del calor
Física y Mecánica de las ConstruccionesETSAM
CONVECCIÓN:
- transporte de energía por desplazamiento de las masas de fluido
- convección libre o natural: diferencia de temperaturas
- convección forzada: sistema mecánico (bomba o ventilador)
3.2. Modalidades básicas de transmisión del calor
Física y Mecánica de las ConstruccionesETSAM
RADIACIÓN:
- radiación electromagnética emitida por los cuerpos en función de T
- reflexión, transmisión y absorción
- no exige medio de transporte (calor transferido por el sol)
3.2. Modalidades básicas de transmisión del calor
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Medios isótropos:
T1 T2
T T+dT
xTTkS
xTTkS
∆−
−=∆−
=Φ 1221
Fórmula empírica (Fourier):
K: conductividad térmica (W m-1 ºC-1)
⇒∆
=x
kC )( 21 ttCS −=Φ
C: conductancia térmica
Densidad de flujo térmico: xTTk
Sq
∆−
−=Φ
= 12
3.3. Transferencia de calor por conducción
3.3. Transferencia de calor por conducción
Física y Mecánica de las ConstruccionesETSAM
Conductividad térmica:
K: facilidad de transmisión de calor por conducción de una sustancia
Dependiente de composición química, fase, presión y temperatura
3.3. Transferencia de calor por conducción
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Ejemplos (régimen estacionario)1. Pared plana con temperaturas de contorno conocidas
T1
T2
02
2=
dxTd
´0)( CCxTCdxdT
dxdT
dxd
+=⇒=⇒=
0=x 1TT =
ax = 2TT =1´ TC =
aTT
C)( 12 −=
xa
TTTT 21
1−
−=
02
2
2
2
2
2=
∂∂
+∂∂
+∂∂
zT
yT
xT
3.3. Transferencia de calor por conducción
Física y Mecánica de las ConstruccionesETSAM
1. Pared plana con temperaturas de contorno conocidas
T1
T2
térmicax R
TTkSaTT
aTTkS 212121
)/(−
=−
=−
=Φ
kSaR =
Resistencia térmica del muro:
LEY DE OHM DE LA CONDUCCIÓN TÉRMICA
1.3. Transferencia de calor por conducción
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2. Pared de capas múltiples con temperaturas de contorno conocidas
T1 T2
T4T3
3
433
2
322
1
211 x
TTSk
xTT
SkxTTSk
∆−
=∆−
=∆−
=Φ
3
343 k
xS
TT∆Φ
=−2
232 k
xS
TT∆Φ
=−1
121 k
xS
TT∆Φ
=−
1.3. Transferencia de calor por conducción
Física y Mecánica de las ConstruccionesETSAM
2. Pared de capas múltiples con temperaturas de contorno conocidas
T1 T2
T4T3
321
41
3
3
2
2
1
1
41
3
3
2
2
1
1
41 )(
)(
)(
)(
)(RRR
TT
Skx
Skx
Skx
TT
kx
kx
kx
TTS++
−=
∆+
∆+
∆−
=∆
+∆
+∆
−=Φ
A partir de Φ podemos determinar T2 y T3 ⇒ distribución de temperaturas
3.3. Transferencia de calor por conducción
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3.4. Transmisión del calor por convección
3.4. Transmisión del calor por convección
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CAPA LÍMITE TÉRMICA: región en la que temperatura del fluido ha alcanzado una cierta fracción de Tf (zona T uniforme)
3.4. Transmisión del calor por convección
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)( fS TThSzTkS −=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛∆∆
=ΦLey de enfriamiento de Newton:
Coeficiente de convección, de película, de conductancia térmica unitaria:
zkh∆
=
3.4. Transmisión del calor por convección
Física y Mecánica de las ConstruccionesETSAM
EJEMPLOS:
1. Pared plana constituida por dos capas sólida y limitada por fluidos convectivos
)( 2112 TTSh −=Φ
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
∆+
∆−
=Φ
34
34
23
23
42
kx
kx
TTS
)( 5445 TTSh −=Φ
Datos: T1 y T5
3.4. Transmisión del calor por convección
Física y Mecánica de las ConstruccionesETSAM
1. Pared plana constituida por dos capas sólida y limitada por fluidos convectivos
1221 Sh
TT Φ=−
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ ∆+
∆Φ=−
34
34
23
2342 Sk
xSk
xTT
4554 Sh
TT Φ=−
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
+∆
+∆
+
−=Φ
4534
34
23
23
12
5111
ShSkx
Skx
Sh
TT⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+++
−=Φ
convterterconv RRRRTT
45342312
51
3.4. Transmisión del calor por convección
Física y Mecánica de las ConstruccionesETSAM
1. Pared plana constituida por dos capas sólida y limitada por fluidos convectivos
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
+∆
+∆
+
−=
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
+∆
+∆
+
−=Φ
4534
34
23
23
12
51
4534
34
23
23
12
511111
hkx
kx
h
TTS
ShSkx
Skx
Sh
TT
)( 51 TTSU −=Φ
4534
34
23
23
12
111hk
xkx
hU+
∆+
∆+=
TRANSMISIÓN GLOBAL O TRANSMITANCIA
3.4. Transmisión del calor por convección