Química

Transporte de masa y calor

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Introducción

Convección en fluidos fluidos

Con el transporte de calor por convección, la energía térmica se transfiere por arrastre y movimiento de agregados de materia más grandes. En los fluidos que fluyen, este fenómeno de transporte se superpone al transporte de calor por conducción y está controlado por procesos hidrodinámicos en el sistema.

Básicamente, existen dos tipos de convección:

  • Convección natural: El movimiento de los agregados de materia se produce debido a diferencias de densidad en el medio.
  • Convección forzada: la convección del medio se produce al agitar o bombear.

Dado que la convección de calor se ejecuta muy rápidamente, los gradientes de temperatura dentro de un flujo convectivo no suelen ser muy grandes y, a menudo, se pasan por alto al calcular el transporte de calor.

Transferencia de calor

Transferencia de calor es el término utilizado para describir la transferencia de calor entre un fluido y una fase sólida en la que se produce un salto de temperatura notable.

Idealmente, se supone que la fase fluida adyacente a un límite de fase está en reposo. El transporte de calor tendría lugar entonces exclusivamente por conducción de calor. En el caso real, cuando se calienta o enfría, son principalmente los pesos específicos los que cambian, lo que inmediatamente da como resultado la circulación.

Las partículas en movimiento están cargadas con energía térmica y disipan el calor en un grado mucho mayor que la conducción de calor en el fluido. De esta manera, las superficies del sólido se liberan rápidamente del calor, se reduce la transferencia de calor a la pared y se incrementa el salto de calor. Cuanto mayor sea el caudal, mejor será la disipación de calor (o suministro en el caso contrario).

Por lo tanto, la transferencia de calor es mucho más complicada que la conducción de calor en cuerpos sólidos, ya que además de los parámetros puros del material, las condiciones fluídicas también juegan un papel (por ejemplo, flujo laminar o turbulento) o cambios de fase (evaporación, condensación). tenido en cuenta.

Cálculo de la transferencia de calor.

En el caso de la transferencia de calor de una pared sólida a un medio fluido y viceversa, se utiliza el siguiente concepto de modelo:

  1. Se forma una película de flujo laminar en la pared (capa límite de Prandtl) ⇒ transporte de calor a través de una conducción de calor más lenta ⇒ gradiente de temperatura grande
  2. En la zona de turbulencia adyacente: buena mezcla del fluido ⇒ transporte de calor por convección rápida ⇒ gradiente de temperatura no muy grande

La resistencia total de la transferencia de calor se encuentra principalmente en la capa límite de Prandtl. El espesor de la capa límite es del orden de 1 ... 10-2 mm y depende de la velocidad del flujo en el fluido.

Dado que en esta área el calor solo se transfiere por conducción, se sigue para la densidad de flujo de calorq·según la primera ecuación de Fourier:

q˙=λΔzΔT

El coeficiente de conductividad térmica es suficiente como constante de proporcionalidad. λ ahora ya no se apaga. En cambio, también debe ser el ancho de la capa límite laminar δ debe ser tomado en cuenta. Por esta razón, se utiliza el prefactorλ/Δza una constante de proporcionalidad α juntos y referirse a ellos como el coeficiente de transferencia de calor.

α=λδ

De esto se sigue para la densidad del flujo de calor durante la transferencia de calor de un fluido a una pared sólida:

q˙=α (TLíquido-Tpared)

La misma ley se aplica a la transferencia de calor de la pared al fluido, solo se deben intercambiar las temperaturas.

Tab.1
Leyenda
símbolodescripciónunidad
q·Densidad del flujo de calor (flujo de calor relacionado con el área)W m-2
αCoeficiente de transferencia de calorW K -1 · M-2
δAncho de la capa límite laminarmetro
λCoeficiente de conductividad térmicaW K -1 · M-1
TtemperaturaK
ΔTDiferencia de temperaturaK
ΔzAncho de la capa límitemetro

Coeficiente de transferencia de calor α

El coeficiente de transferencia de calor o número de transferencia de calor. α indica la cantidad de calor que se transfiere entre la pared y el fluido por unidad de área y tiempo a una diferencia de temperatura de 1 K. El coeficiente de transferencia de calor α depende de

  • en las propiedades del material del fluido (cambio de viscosidad en función de la temperatura),
  • la forma de la pared (las paredes rugosas fomentan la formación de capas límite más gruesas),
  • el campo de temperatura (destrucción de la capa límite debido a la formación de burbujas en la superficie de calentamiento)
  • y las condiciones de flujo cerca de la pared (nervaduras y ranuras en las superficies de intercambio aumentan la turbulencia).

El material de la pared no influye en el coeficiente de transferencia de calor.

Para la resistencia a la transferencia de calor Rü es aplicable:

R.ü=ΔTUNA.Q˙=1α
Tab.2
Leyenda
símbolodescripciónunidad
q·Densidad del flujo de calor (flujo de calor relacionado con el área)W m-2
Q·Flujo de calorW.
αCoeficiente de transferencia de calorW K -1 · M-2
UNA.zona
ΔTDiferencia de temperaturaK
R.üResistencia a la transferencia de calorK · m 2 · W-1

Debido a los procesos hidrodinámicos en su mayoría complejos en los límites de fase, a menudo no es posible proporcionar información precisa sobre el espesor de la capa. δ ser hecho para que α solo se puede determinar experimentalmente. Para reducir y organizar la gran cantidad de variables influyentes, se utilizan consideraciones de similitud al evaluar los experimentos para poder trasladar los principios establecidos a otros casos.


Video: Transferencia de Materia CAP 1 (Agosto 2022).