Conducción - Transferencia de Calor
Agradeceremos nos haga llegar su opinión sobre el uso de este procesador y si le ha sido útil su contenido

Objetivos.

Mecanismos de transferencia de calor por conducción
Flujo térmico por conducción
Lista de los materiales más utilizados y sus coeficientes de conductividad térmica
Procesador de cálculo. Formulario Registro de datos.
Bloque de comprobación y validación de la información
Panel de salida

Mecanismos de transferencia de calor por conducción

Procesos de transferencia de calor.
La transferencia de calor está relacionada con la razón de intercambio de calor entre cuerpos calientes y fríos, o entre espacios con altas y bajas temperaturas, en ambos casos llamados foco o fuente emisor y  recibidor.

La transferencia de calor a través (sección transversal) de una superficie ocurre por conducción a través del material de la superficie, por convección en circulación libre o forzada con el aire ambiente y por radiación.  Entonces el calor transferido es igual a:

Q = Qconducc + Qconvecc + Qradiacc

donde:
Q:  El calor transferido al exterior por la sección transversal de una superficie  S.
QConducc: Calor transferido al exterior por conducción
QConvecc: Calor transferido al exterior por convección.
Qradiacc: Calor transferido al exterior por radiación.

Lado caliente Valor alto T1 Temp. cuerpo caliente	X=X1	Temp. cuerpo frío
	X=X2	Valor bajo T2 Lado frío
	∆X=X2-X1

El contenido de esta página aborda el mecanismo de la transferencia de calor por conducción, flujo de energía que atraviesa el espesor ∆X de la superficie material del sistema. Ver en la figura anterior que encontramos una zona de alta y otra de baja temperatura. Para que el calor fluya de un lugar a otro tiene que existir un potencial motriz, en este caso la fuerza impulsora es la diferencia de temperatura.

Si el proceso ocurre en un sistema que transporta el fluido caliente a través de una zona exterior, por ejemplo una tubería conductora de vapor recalentado en una Planta de Refinación de Fuel oil, o en un Hotel, una tubería que transporta agua caliente a las habitaciones en los diferentes niveles o pisos del edificio, la temperatura interior de ambas será superior a la del ambiente exterior. Entonces el calor fluye desde el interior de la tubería al exterior o ambiente, a través del espesor de la tubería y se considera que se pierde calor.

El proceso puede ocurrir en un sistema de enfriamiento, que pertenece a un edificio administrativo o a un Hotel, dónde se conduce agua fría por las tuberías, o aire frío por dentro de los conductos rectangulares. En ambos casos la temperatura interior de los conductos es inferior a la del ambiente y el flujo de calor es desde afuera hacia adentro del conducto, atravesando el espesor de la superficie. Entonces el sistema gana calor. Lo mismo nos puede ocurrir en una cámara fría, que conserve productos alimenticios, o almacene el hielo, en cualquiera de sus formas. El calor se gana desde el exterior, lo que a la larga es totalmente perjudicial, ya que reduce la capacidad de refrigeración del sistema.

Es bueno destacar que en el caso de las superficies frías respecto al ambiente, es perjudicial que se formen condensaciones de agua sobre estas superficies, pues el vapor a condensarse pasa a líquido y forma gotas de agua, las que al caer sobre zonas donde la humedad hace daño, destruyen rápidamente los materiales, satura de humedad el ambiente circundante, inclusive, son fuentes de enfermedades respiratorias y alergias, afectando a las persona que trabajan en esas áreas, si son áreas de estar, de almacén, de circulación o de trabajo. El fenómeno es muy común. El vapor de agua que está presente en el aire ambiente, al ponerse en contacto con las superficies frías, se condensa y forma el goteo indeseable que antes comentábamos.

Por lo anterior, evitar por todos los medios que en los sistemas térmicos (calor o frío) se pierda o se gane calor, además de conservar la energía, reducir el efecto negativo sobre la atmósfera al disminuir las emisiones de CO2 producidas, reducir nuestra factura energética al pagar menos por más, solucionamos un problema de higiene y de protección en general.

Cómo se ha comentado antes, nos podemos encontrar que el calor se transfiere a través de una tubería o de la pared de una cámara, o de un horno. Entonces estarán presentes dos tipos de superficies, las planas o placas y las circulares o tuberías. La forma de la superficie nos determinará en el calor que se transfiere, por lo que tenemos que emplear expresiones diferentes para cada una de ellas.

Cada material tiene sus particularidades, unos son buenos conductores del calor, cómo es el acero, el hierro, en general muchos metales. Otros son muy malos conductores del calor, cómo son los materiales esponjosos, compuesto por diferentes minerales. Los buenos conductores tienen que ser recubiertos con los malos conductores del calor, sólo así impedimos que el calor se nos escape o se gane. Cómo vemos hay dos variables a tener en cuenta, el coeficiente de conductividad térmica y el espesor. A medida que el espesor es mayor, mayor es la resistencia a la transferencia de calor, así que hay que considerar ambos factores a la hora de seleccionar un material y de realizar el montaje.

Flujo térmico por conducción

Paredes planas Cuándo tenemos presente una sola capa o placa de material sólido,

k(Ti-Ts)	(Ti-Ts)
Q=-------------	= --------
e	e/k

siendo:
k :  conductividad térmica, Kcal/(h-m2)(ºk - ºC/m)
Tp: temperatura interior o del fluido, ºk - ºC
Ts: temperatura superficial de la pared aislada, ºk - ºC
e:   espesor del aislamiento, m

Paredes planas múltiples. Cuándo tenemos presente varias capas o placas, superpuestas de material sólido,

ki(Ti-Ts)	(Ti-Ts)
Q=-------------	= --------
ei	∑e/k

Siendo e y k referido a cada una de las capas o paredes que forman el conjunto.

Superficies curvadas sencillas. Cuándo el calor fluye a través de una pared circular, cómo la de las tuberías, la dirección del flujo es en todos los puntos radial y perpendicular al eje, siendo la sección recta de paso proporcional a su distancia al eje del cilindro. En todos los casos el área media logarítmica es el valor medio verdadero. Entonces la velocidad de conducción del calor por conducción en un cilindro hueco de longitud unitaria, dependerá exclusivamente de los radios extremos y no del espesor. Con los radios extremos calculamos el radio medio logarítmico y así el área media logarítmica.

2πk(Ti-Ts)	(Ti-Ts)
Q = -------------	= -------------------
logD2/D1	1/2πk[ln(D2/D1)]

Superficies curvadas múltiples. Cuándo tenemos presente varias capas o placas de material, superpuestas sobre la superficie circular o la tubería. Es el caso que encontramos en todos los sistemas de tuberías circulares aisladas, muy común en las industrias, edificaciones, centros comerciales, etc.

2πk(Ti-Ts)	(Ti-Ts)
Q=-------------	= -------------------
logD2/D1	(1/2π) * ∑ki * [ln(D2/D1)]i

Lista de los materiales sólidos más utilizados y sus coeficientes de conductividad térmica:

coeficiente de conductividad térmica de materiales Ref:Transmisión del Calor, McAdams
Materiales	temperatura, ºC	coeficiente
Aceros, hierro, aleaciones		k=kcal/(h-m2)(ºC/m)
Acero, 1% de C	18	39,0
Acero, 1% de C	100	38,6
Fundición	54	41,1
Fundición	102	39,8
Hierro puro	18	58,0
Hierro puro	100	54,5
Hierro forjado	18	52,0
Hierro forjado	100	51,5
Níquel cromo con hierro
301,302,303,304,316	100	14
301,302,303,304,316	500	18,5
308	100	13,1
308	500	18,6
309,310	100	11,9
309,310	500	16,1
Asbesto	37 - 150	0.074-0,101
Lana mineral	37 - 315	0.045-0.085
Corcho granulado	128 - 144	0.037
Plancha de corcho	170	0.037
Yeso en polvo	420 - 545	0.064 - 0.075
Ladrillos alúmina (92 - 99%)	427	2,68
Ladrillos aislante caolín	500	0,22
Ladrillos construcción	20	0,60
Madera	0 - 100	0.061

Procesador de cálculo. Formulario Registro de datos.

El calculador reporta el calor por conducción a través de una superficie simple, tanto para placas planas, cómo para circulares y tuberías. Para ello hay que registrar la información que se muestra en el siguiente formulario: