Transferencia de calor por convección
Simulación de la convección térmica en el manto terrestre. Los colores van desde el rojo y el verde hasta el azul con temperaturas decrecientes. Una capa límite inferior caliente y menos densa envía penachos de material caliente hacia arriba, y el material frío de la parte superior se mueve hacia abajo.
La transferencia de calor es una disciplina de la ingeniería térmica que se ocupa de la generación, uso, conversión e intercambio de energía térmica (calor) entre sistemas físicos. La transferencia de calor se clasifica en varios mecanismos, como la conducción térmica, la convección térmica, la radiación térmica y la transferencia de energía por cambios de fase. Los ingenieros también consideran la transferencia de masa de diferentes especies químicas (transferencia de masa en forma de advección), ya sea fría o caliente, para lograr la transferencia de calor. Aunque estos mecanismos tienen características distintas, a menudo se producen simultáneamente en el mismo sistema.
La conducción de calor, también llamada difusión, es el intercambio microscópico directo de energía cinética de partículas (como las moléculas) o cuasipartículas (como las ondas de red) a través de la frontera entre dos sistemas. Cuando un objeto se encuentra a una temperatura diferente de la de otro cuerpo o de su entorno, el calor fluye para que el cuerpo y el entorno alcancen la misma temperatura, momento en el que se encuentran en equilibrio térmico. Esta transferencia de calor espontánea se produce siempre desde una región de alta temperatura a otra de menor temperatura, tal y como se describe en la segunda ley de la termodinámica.
Ejemplos de intercambio de energía
Mecanismos de transferencia de calorEn otros idiomas: Français Figura 1. La foto de arriba muestra el aerogel, un aislante térmico extremadamente bueno, entre un soplete y unas cerillas. El aerogel bloquea todo el calor del soplete e impide que las cerillas se quemen[1].
Los mecanismos de transferencia de calor son las formas en las que se puede transferir la energía térmica entre objetos, y todos ellos se basan en el principio básico de que la energía cinética o el calor quieren estar en equilibrio o en estados de energía iguales. Existen tres formas diferentes de transferencia de calor: la conducción, la convección y el calor radiante (a menudo denominado radiación, pero es un término más general que incluye muchos otros fenómenos)[2] Existe un fenómeno relacionado que transfiere el calor latente llamado evapotranspiración.
La conducción es el modelo de transferencia de calor más simple en términos de poder crear una explicación matemática de lo que ocurre. Consiste en el movimiento de la energía cinética de los materiales desde zonas de mayor temperatura a zonas de menor temperatura a través de una sustancia[3] Las moléculas simplemente cederán su energía a las moléculas adyacentes hasta que se alcance un equilibrio. Los modelos de conducción no se ocupan del movimiento de las partículas dentro del material.
Convección natural
Una posibilidad de transferencia de calor es que las sustancias calientes fluyan de un lugar a otro y transporten energía térmica en consecuencia. Esta transferencia de calor se denomina convección térmica. Este tipo de transferencia de calor se explicará con más detalle mediante los siguientes ejemplos y un sencillo experimento.
Una transferencia de calor por convección térmica se encuentra, por ejemplo, en un secador de pelo. La fuente de calor es una bobina que calienta el aire circundante. Para que este aire caliente llegue ahora al cabello húmedo, un ventilador crea una corriente de aire. Esto hace que el calor fluya desde la bobina de calentamiento hasta el cabello.
Otro ejemplo que sigue el mismo principio de transferencia de calor por convección es el sistema de calefacción central. Sin embargo, éste no transporta el calor a través de un flujo de aire, sino a través de un flujo de agua caliente. El flujo de agua es impulsado por una bomba. Esta bomba transporta el agua calentada en la caldera a través de un tubo hasta el radiador (llamado tubo de alimentación). En la mayoría de los casos, varios radiadores están dispuestos en serie. Sin embargo, para simplificar, en la figura siguiente sólo se muestra un radiador. Después de pasar por todos los radiadores, el agua enfriada vuelve a la caldera a través de una tubería (llamada tubería de retorno). Allí se recalienta y el ciclo vuelve a empezar.
Intercambio de energía entre humanos
El flujo de energía va del medio caliente al medio frío a través del área de transferencia de calor del BPHE. Además del tamaño del área de transferencia de calor, la cantidad de energía transportada también depende del coeficiente de transferencia de calor y de la diferencia de temperatura entre ambos lados. Esta relación se describe en la ecuación de transferencia de calor (ecuación 2):
El aumento del área de un intercambiador de calor implica que se puede transferir más energía. En el caso de los BPHE, se puede conseguir una mayor superficie aumentando el tamaño y/o el número de placas, lo que implica una mayor cantidad de soldadura de acero inoxidable y cobre. Por lo tanto, el aumento de la superficie implica mayores costes.
En los BPHE, la energía se transfiere por tanto a través de la conducción y la convección, y en la figura 1.4 se muestran ejemplos de estos tipos de transporte de energía.
El espacio entre las líneas punteadas y la pared en la figura 1.5 suele denominarse espesor de la película. La tasa de transferencia de calor dentro de la película es significativamente menor que en el líquido a granel, porque el gradiente de temperatura disminuye drásticamente en esta zona (véase la figura 1.5). La razón de la menor transferencia de calor es el flujo laminar que se obtiene siempre cerca de una pared plana. El flujo laminar no transfiere la energía tan bien como el flujo turbulento. El coeficiente global de transferencia de calor (k) describe el efecto total de la conducción y la convección en la transferencia de energía: