Transferencia de Calor - Mecanismos de transferencia
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Objetivos.

Introducción
Mecanismos de transferencias de calor.
Calculadores para determinar los coeficientes de la transferencia de calor y el calor transferido.

Introducción

Por el peso que tienen en el consumo mundial energético la transferencia de calor, nos proponemos abordar esta especialidad de ingeniería y facilitar su aplicación y práctica. “Se diseñarán un conjunto de procesadores de cálculo para aplicarlos en cada una de las formas en que se presenta la transferencia de calor.

El calor (o frío), no es más que una sensación que experimentamos los humanos, al ponernos en contacto con un ambiente donde la temperatura sea superior o inferior a la del cuerpo humano. Es una forma de energía y puede producir trabajo. Está muy ligado a la supervivencia humana, totalmente necesario en la vida presente y para el desarrollo futuro.

Una de las formas en que se genera el calor es durante el proceso químico llamado combustión, al quemarse los combustibles. Los combustibles son portadores energéticos que tienen potencial para quemarse en presencia del gas oxígeno o una atmósfera que lo contenga, como es el aire ambiente. La gran mayoría del total de las toneladas o barriles de petróleo fósil equivalentes que se extraen anualmente en el Mundo, de una u otra forma son quemados en los diferentes procesos energéticos.

El combustible equivalente al quemarse en presencia de aire atmosférico u oxígeno, forma gas CO2 y agua, además de otros gases nocivos y contaminantes. El gas CO2, como todos sabemos, es el principal causante del efecto invernadero y por ello, del calentamiento global. Cada kilogramo de combustible equivalente que se quema, tiene asociado una cantidad de CO2 que supera en más del doble al kilogramo quemado. Así que si queremos estimar qué cantidad de CO2 se emite a la atmósfera al quemar un combustible fósil, basta con multiplicar la masa del combustible por 2,3 - 2,7 kg de CO2/kgs.

Lo malo de este análisis o cálculo, es que llegamos a la conclusión que las unidades de calor o frio generadas procedentes de los combustibles fósiles, son responsables directas de las emisiones de CO2 a la atmósfera. Lo bueno es que no todo el calor o frio generado que hoy se emplea en el Planeta procede de la quema de combustibles fósiles. Tenemos presentes procesos que utilizan las energías renovables, biocombustibles y la energía atómica, para generar calor o frio. Dentro de ellos están:

a) los Colectores, Concentradores Solares, que captan la energía solar y la transforman en calor,
b) los Colectores PV, los Generadores Eólicos, las Centrales Hidroeléctricas y Geotérmicas, procesos que emplean fuentes renovables para generar electricidad, considerando que la electricidad a su vez se puede transformar en calor,
c) las Centrales Atómicas, que emplean la energía nuclear para generar calor,
d) los procesos que emplean biocombustibles o bioenergías, los que generan el calor con un nivel de emisiones neto inferior a su similar fósil.

En la actualidad se desarrollan las alternativas que emplean las fuentes renovables con el fin de ir sustituyendo las fuentes fósiles, pero aún prima la utilización de la energía contaminadora como fuente para generar el calor, por ser esta última más barata.

De no existir la vía de generar calor o frio mediante los procesos renovables y limpios, la situación sería mucho más grave, por lo que existen soluciones para salir adelante, solo tenemos que potenciarlas y multiplicarlas.

Como conclusión de esta introducción, la gran mayoría del calor que utilizamos a nivel mundial proviene de los combustibles fósiles, los que a su vez tienen asociados volúmenes importantes de emisiones de CO2. Así que si queremos proteger el medioambiente, tenemos que cuidar celosamente cada unidad de combustible fósil para producir calor o frio y cada unidad de calor o frio, una vez generado. El Asilamiento Térmico es el medio eficaz para conservar el calor y el frio, reduciendo sus pérdidas. De ahí la importancia de estos conocimientos y su aplicación práctica.

Para conocer en detalle todo relativo al proceso de transferencia de calor, las expresiones y formas de determinar en cada caso el calor que se transporta, puede descargar en nuestro sitio web el documento pdf. Tansmisión calor. Aislamiento térmico. En su contenido se complementan los conocimientos que se requieren para realizar las operaciones y las aplicaciones prácticas de las soluciones que reducen las pérdidas de energía mediante la utilización del aislamiento térmico de manera conveniente.

Mecanismos de transferencias de calor.

El calor se transmite de tres formas. El calor se transmite a través de las superficies sólidas, lo que se conoce por transferencia por conducción.

En el espacio o ambiente que rodea a un cuerpo caliente, el calor también se transmite de un punto a otro. El aire que se pone en contacto con el cuerpo caliente, a su vez se calienta, y se hace menos denso (más ligero) y crea un potencial de circulación de flujo desde el punto más caliente al más frio, éste último, donde el aire tiene una densidad mayor. Así el calor se transporta con la corriente de aire que circula. A esta forma de transmisión se le conoce por convección.

Los cuerpos calientes emiten radiaciones calóricas. Las podemos observar cuando guiamos el auto o coche en pleno verano, con altas temperaturas, como la superficie de la vía o carretera radia calor al ambiente. Y si nos acercamos a un horno de fusión de metal, en zonas de poco o sin aislamiento, hay momentos en que no podemos seguir avanzando pues el nivel de radiación es tal que el cuerpo humano no soporta tan altos valores de temperatura. En estos ejemplos, el calor se transmite por radiación.

Cada una de estas formas o procesos de transmisión del calor, obedecen a leyes físicas y se pueden medir. Por lo tanto, también podemos calcularlas y conocer cuánto calor se transmite.

¿Entonces, qué beneficios aporta a la eficiencia energética y a la reducción de las emisiones de CO2, saber sobre el calor, su transmisión y el aislamiento térmico?. Veamos.

En un proceso de calentamiento, se quema un volumen de combustible para calentar una sustancia o un material. El calor que se genera en la combustión tiene el objetivo de realizar un proceso que llamaré principal, calentar la sustancia o material. En la medida que utilicemos un volumen más cerca al que teóricamente requiere el proceso principal, más económico y eficiente será la operación. Por supuesto, más eficiencia, menos combustible quemado, menos CO2 emitido a la atmósfera.

Recordemos que cada unidad de combustible quemado, genera calor y emite CO2 como resultado del proceso de la combustión. Si el calor que se genera en la combustión, destinado al proceso principal, se escapa y calienta la atmósfera o el ambiente exterior al equipo, cada unidad de energía que se pierde deja de realizar el trabajo principal. Al final, menos eficiencia, más emisiones.

La función del aislamiento térmico es la de reducir el escape de la energía fuera de los equipos o sistemas donde se genera el calor. Los aislamientos térmicos, a la vez que realizan la función de conservar la energía, también realizan una función de seguridad, evitando que las personas entremos en contacto con superficies calientes y ocurra un accidente doloroso.

Calculadores para determinar los coeficientes de la transferencia de calor y el calor transferido.

Además de la información contenida en los documentos pdf que formarán parte del sistema transferencias de calor, el conjunto de publicaciones incluye varios procesadores de cálculos, de manera de facilitar la aplicación y que el resultado sea lo exacto que necesitamos. Estos procesadores manejan las complejas determinaciones de los coeficientes de transferencia y los cálculos de la cantidad de calor transferido que se transfieren en los procesos térmicos y la hacen transparentes para el usuario que obtiene los resultados.

Con estos procesadores se determinan la cantidad de calor transferido, perdido y la energía que pudiéramos conservar, de colocar capas de materiales aislantes sobre las superficies calientes y frías. Se han diseñado procesadores para calcular los coeficientes de conducción, convección y radiación térmica, así como para realizar el cálculos de los coeficientes combinados, ya que en la realidad y por lo general, en los procesos térmicos están presentes más de un mecanismo de transferencia. En las Tablas se complementa la información básica que se necesita para la operación de estos procesadores de cálculo, han resumido los principales coeficientes de conductividad térmica de los materiales sólidos.

En cada caso se irán describiendo los pasos a seguir para el empleo de estos calculadores y la base teórica para entender el ABC de esta especialidad.