Procesos de transferencia y recuperación de calor Módulo: Procesos de calor, vapor, recuperación de calor

Objetivos Procesos y recuperación de calor Integrar conceptos básicos sobre transferencia y recuperación de calor Ejercitar el cálculo estimado de parámetros relevantes Reunir material de consulta resumido www.energymanager.eu

Deja de tener utilidad Procesos y recuperación de calor Todo flujo térmico acaba por convertirse en calor a baja temperatura Deja de tener utilidad www.energymanager.eu

Análisis de primera y segunda ley de la termodinámica Procesos y recuperación de calor Análisis de primera y segunda ley de la termodinámica www.energymanager.eu

Procesos y recuperación de calor www.energymanager.eu

Recuperación de calor Procesos y recuperación de calor www.energymanager.eu

Mecanismos de transferencia de calor Procesos y recuperación de calor Mecanismos de transferencia de calor www.energymanager.eu

Procesos y recuperación de calor El calor es la energía en transferencia Debido a una diferencia de temperaturas “Siempre será del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura.” www.energymanager.eu

Procesos y recuperación de calor Cuando un cuerpo recibe calor puede: Aumentar su temperatura. En este caso, el calor recibido dependerá de: Lo que se quiera aumentar T (T) De la masa a calentar (m) Del tipo de sustancia (ce = calor específico) Cambiar de estado físico. En este caso la temperatura no varía, y el calor recibido dependerá de: De la masa a cambiar de estado (m) Del tipo de sustancia (Lf o Lv = calor latente de fusión o vaporización) Ambas cosas Q = m· c · T QF = LF · m QV = LV · m www.energymanager.eu

Equilibrio térmico. Procesos y recuperación de calor Obviamente, si un cuerpo adquiere calor , es porque otro lo cede, de forma que: Sea A el cuerpo de menor temperatura (absorberá calor) y el B de mayor temperatura (cederá calor). Al final, ambos adquirirán la misma temperatura de equilibrio (Teq): www.energymanager.eu

Calores específicos de algunas sustancias @ 25°C y 1 atm Procesos y recuperación de calor Calores específicos de algunas sustancias @ 25°C y 1 atm Calor específico Sustancia J/kg °K Cal/g °K Sólidos elementales Aluminio Berilio Cadmio Cobre Germanio Oro Hierro Plomo Silicio Plata 900 1830 230 387 322 129 460 128 703 234 0.215 0.436 0.055 0.0924 0.077 0.0308 0.107 0.0305 0.168 0.056 Otros sólidos Latón Vidrio Hielo (-5°C) Mármol Madera 380 837 2090 860 1700 0.092 0.200 0.50 0.21 0.41 Líquidos Alcohol (etílico) Mercurio Agua (15°C) 2400 140 4186 0.58 0.033 1.00 Gas Vapor (100°C) 2010 0.48 www.energymanager.eu

Procesos y recuperación de calor Ejemplo: Se introduce una bolita de 200 g de hierro a 120ºC en un recipiente con ½ litro de agua a 18ºC. Calcular: a) la temperatura de equilibrio; b) el calor cedido por la bola de hierro. a) mA· ceA· (Teq– T0A) = mB· ceB· (T0B -Teq) J J 0,5 kg ·4180 —— (Teq–18ºC) = 0,2 kg ·460 —— (120ºC–Teq) K·kg K·kg Resolviendo la ecuación obtenemos que la temperatura de equilibrio es: Teq= 22,3ºC b) Qcedido = mA· ceA· (Teq– T0A) = J = 0,2 kg ·460 —— ·(22,3ºC – 120ºC) = 8990 J K·kg www.energymanager.eu

Procesos y recuperación de calor Ejemplo: Calcula el calor necesario para transformar 1 kg de hielo a –10ºC en vapor de agua a 110ºC a presión atmosférica.(LF = 3,34 ·105 J/kg; LV = 2,26 ·106 J/kg) El calor total será la suma del necesario para pasar de hielo a –10ºC a hielo a 0ºC (Q1), de fundir el hielo (Q2), de pasar el agua líquida a 0ºC a agua líquida a 100ºC (Q3), de vaporizar el agua (Q4) y de aumentar la temperatura del vapor hasta los 110ºC (Q5): www.energymanager.eu

Procesos y recuperación de calor Q1=m · ce· (T– T0) = 1 kg ·(2,09 kJ/kg·K)·10 K = 20,9 kJ Q2=m · LF = 1 kg ·(3,34 ·105 J/kg) = 334 kJ Q3=m· ce·(T– T0) = 1 kg·(4,18 kJ/kg·K)·100 K = 418 kJ Q4=m · LV = 1 kg ·(2,26 ·106 J/kg) = 2260 kJ Q5=m · ce· (T– T0) = 1 kg ·(1,96 kJ/kg·K)·10 K = 19,6 kJ QTOTAL= Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 20,9 kJ + 334 kJ + 418 kJ + 2260 kJ + 19,6 kJ QTOTAL = 3052,5 kJ www.energymanager.eu

Procesos y recuperación de calor Flujo de Energía Flujo de calor www.energymanager.eu

Transferencia de calor por conducción Procesos y recuperación de calor Transferencia de calor por conducción www.energymanager.eu

Procesos y recuperación de calor www.energymanager.eu

Conductividades térmicas de materiales: Procesos y recuperación de calor Conductividades térmicas de materiales: Material J/s-m-K Cobre: 385 3850 kJ/s 0.800 8.00 kJ/s Concreto o vidrio: 0.040 0.400 kJ/s Tablero de corcho: Comparación de corrientes caloríficas para condiciones similares: L = 1 cm (0.39 in); A = 1 m2 (10.8 ft2); Dt = 100 C0 www.energymanager.eu

Balance de energía Procesos y recuperación de calor www.energymanager.eu

Transferencia de calor por conducción Procesos y recuperación de calor Transferencia de calor por conducción Placa plana T qk A ∆T x l www.energymanager.eu

Procesos y recuperación de calor k 1 1 k 2 2 k 3 3 Te Ts www.energymanager.eu

Procesos y recuperación de calor www.energymanager.eu

Procesos y recuperación de calor Placa cilíndrica T r qk L ∆T ro ri www.energymanager.eu

Procesos y recuperación de calor Pared cilíndrica www.energymanager.eu

Transferencia de calor por conducción Procesos y recuperación de calor Transferencia de calor por conducción Resistencia térmica de contacto ∆Tint interfaz www.energymanager.eu

Aplicación de conceptos En ejercicios sencillos Procesos y recuperación de calor Aplicación de conceptos En ejercicios sencillos www.energymanager.eu

Ejemplo Procesos y recuperación de calor Una pared de ladrillo refractario de 0.2032m de espesor tiene una temperatura de 21.2°C en el lado caliente y de 1.7°C del lado frío ¿Cuál es el flujo de calor? T1 = 21.2°C T2 = 1.7°C L=0.2032 m = 1.0 (de tablas) www.energymanager.eu

Procesos y recuperación de calor Ejemplo 2: Una gran ventana de vidrio mide 2 m de ancho y 6 m de alto. La superficie interior está a 20 0C y la superficie exterior a 12 0C. ¿Cuántos Joules de calor pasan a través de esta ventana en una hora? Suponga L = 1.5 cm y que k = 0.8 J/s m-K. 200C 120C Dt = t2 - t1 = 8 C0 0.015 m A Q = ¿? t = 1 h A = (2 m)(6 m) = 12 m2 Q = 18.4 MJ www.energymanager.eu

Procesos y recuperación de calor La pared de una planta congeladora esta compuesta de 8 cm de tablero de corcho de 12 cm de concreto solido. La superficie interior esta a -20°C y la superficie exterior a 25°C ¿cual es la temperatura de la interfaz? ti 250C -200C HA 8 cm 12 cm Flujo estacionario Nota: www.energymanager.eu

Al reordenar factores se obtiene: Procesos y recuperación de calor Ejemplo 2 (Cont.): Encontrar la temperatura de interfaz para una pared compuesta. ti 250C -200C HA 8 cm 12 cm Flujo estacionario Al reordenar factores se obtiene: www.energymanager.eu

Ejemplo 2 (Cont.): Al simplificar se obtiene: Procesos y recuperación de calor Ejemplo 2 (Cont.): Al simplificar se obtiene: ti 250C -200C HA 8 cm 12 cm Flujo estacionario 0.075ti + 1.50C = 250C - ti ti = 21.90C De donde: Conocer la temperatura de interfaz ti permite determinar la tasa de flujo de calor por unidad de área, Q/A. La cantidad Q/A es igual para corcho o concreto: www.energymanager.eu

Procesos y recuperación de calor ti 250C -200C HA 8 cm 12 cm Flujo estacionario Q/A es constante en el tiempo, de modo que diferentes k producen diferentes Dt Corcho: Dt = 21.90C - (-200C) = 41.9 C0 Concreto: Dt = 250C - 21.90C = 3.1 C0 Dado que Q/A es el mismo, elija sólo concreto: www.energymanager.eu

Procesos y recuperación de calor ti 250C -200C HA 8 cm 12 cm Flujo estacionario Corcho: Dt = 21.90C - (-200C) = 41.9 C0 Concreto: Dt = 250C - 21.90C = 3.1 C0 Note que 20.7 Joules de calor por segundo pasan a través de la pared compuesta. Sin embargo, el intervalo de temperatura entre las caras del corcho es 13.5 veces más grande que para las caras del concreto. Si A = 10 m2, el flujo de calor en 1 h sería ______ 745 kW www.energymanager.eu

Procesos y recuperación de calor Una pared de concreto armado de 0.2032 m de espesor con un aislamiento rígido de 0.0508 m de espesor con una de 0.0432 W/m-K sobre la cual se pone un aplanado de yeso de 0.0127 m de espesor. La pared caliente tiene una temperatura de 21.2°C y la fría 1.7°C ¿Cuál es el flujo de calor? T1 = 21.2°C T2 = 1.7°C www.energymanager.eu

Procesos y recuperación de calor La resistencia dominante es la del aislamiento y es la que determina el flujo de calor www.energymanager.eu

GRACIAS Título del Módulo Nombre de ponente Mail: rherrera@ecoves.org LOGO www.energymanager.eu