Transferencia de calor

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La transferencia de calor es una disciplina de la ingeniería térmica que se ocupa de la generación, el uso, la conversión y el intercambio de energía térmica (calor) entre sistemas físicos. La transferencia de calor se clasifica en varios mecanismos, como conducción térmica, convección térmica, radiación térmica y 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. Si bien estos mecanismos tienen características distintas, a menudo ocurren simultáneamente en el mismo sistema.

La conducción de calor, también llamada difusión, es el intercambio microscópico directo de energía cinética de partículas (como moléculas) o cuasipartículas (como ondas de red) a través de la frontera entre dos sistemas. Cuando un objeto está a una temperatura diferente a la de otro cuerpo o su entorno, el calor fluye de manera que el cuerpo y el entorno alcanzan la misma temperatura, momento en el que se encuentran en equilibrio térmico. Tal transferencia de calor espontánea siempre ocurre de una región de alta temperatura a otra región de temperatura más baja, como se describe en la segunda ley de la termodinámica.

La convección de calor ocurre cuando el flujo a granel de un fluido (gas o líquido) transporta su calor a través del fluido. Todos los procesos convectivos también mueven el calor en parte por difusión. El flujo de fluido puede ser forzado por procesos externos o, a veces (en campos gravitatorios) por fuerzas de flotabilidad causadas cuando la energía térmica expande el fluido (por ejemplo, en una columna de fuego), lo que influye en su propia transferencia. Este último proceso a menudo se denomina "convección natural". El primer proceso a menudo se llama "convección forzada". En este caso, se fuerza el flujo del fluido mediante el uso de una bomba, ventilador u otro medio mecánico.

La radiación térmica se produce a través del vacío o de cualquier medio transparente (sólido, fluido o gas). Es la transferencia de energía por medio de fotones u ondas electromagnéticas regidas por las mismas leyes.

Visión de conjunto

El calor se define en física como la transferencia de energía térmica a través de un límite bien definido alrededor de un sistema termodinámico. La energía libre termodinámica es la cantidad de trabajo que puede realizar un sistema termodinámico. La entalpía es un potencial termodinámico, designado con la letra "H", que es la suma de la energía interna del sistema (U) más el producto de la presión (P) y el volumen (V). Joule es una unidad para cuantificar la energía, el trabajo o la cantidad de calor.

La transferencia de calor es una función de proceso (o función de trayectoria), a diferencia de las funciones de estado; por lo tanto, la cantidad de calor transferido en un proceso termodinámico que cambia el estado de un sistema depende de cómo ocurre ese proceso, no solo de la diferencia neta entre los estados inicial y final del proceso.

La transferencia de calor termodinámica y mecánica se calcula con el coeficiente de transferencia de calor, la proporcionalidad entre el flujo de calor y la fuerza motriz termodinámica para el flujo de calor. El flujo de calor es una representación vectorial cuantitativa del flujo de calor a través de una superficie.

En contextos de ingeniería, el término calor se toma como sinónimo de energía térmica. Este uso tiene su origen en la interpretación histórica del calor como un fluido (calórico) que puede ser transferido por diversas causas, y que también es común en el lenguaje de los legos y de la vida cotidiana.

Las ecuaciones de transporte para la energía térmica (ley de Fourier), el momento mecánico (ley de Newton para fluidos) y la transferencia de masa (leyes de difusión de Fick) son similares y se han desarrollado analogías entre estos tres procesos de transporte para facilitar la predicción de la conversión de cualquiera de ellos. a los demás.

La ingeniería térmica se refiere a la generación, uso, conversión, almacenamiento e intercambio de transferencia de calor. Como tal, la transferencia de calor está involucrada en casi todos los sectores de la economía. La transferencia de calor se clasifica en varios mecanismos, como conducción térmica, convección térmica, radiación térmica y transferencia de energía por cambios de fase.

Simulación de convección térmica en el manto terrestre . Los colores van desde el rojo y el verde hasta el azul con temperaturas decrecientes

Mecanismos

Los modos fundamentales de transferencia de calor son:AdvecciónLa advección es el mecanismo de transporte de un fluido de un lugar a otro y depende del movimiento y la cantidad de movimiento de ese fluido.Conducción o difusiónLa transferencia de energía entre objetos que están en contacto físico. La conductividad térmica es la propiedad de un material para conducir el calor y se evalúa principalmente en términos de la Ley de Fourier para la conducción del calor.ConvecciónLa transferencia de energía entre un objeto y su entorno, debido al movimiento de un fluido. La temperatura promedio es una referencia para evaluar las propiedades relacionadas con la transferencia de calor por convección.RadiaciónLa transferencia de energía por la emisión de radiación electromagnética.

Advección

Al transferir materia, la energía, incluida la energía térmica, se mueve mediante la transferencia física de un objeto frío o caliente de un lugar a otro. Esto puede ser tan simple como colocar agua caliente en una botella y calentar una cama, o el movimiento de un iceberg en las corrientes oceánicas cambiantes. Un ejemplo práctico es la termohidráulica. Esto se puede describir mediante la fórmula: ${ estilo de visualización phi _ {q} = v rho c_ {p} Delta T}$

donde

${ estilo de visualización phi _ {q}}$ es el flujo de calor (W/m),
$rho$ es la densidad (kg/m),
$c_{p}$ es la capacidad calorífica a presión constante (J/kg·K),
$Delta T$ es la diferencia de temperatura (K),
$v$ es la velocidad (m/s).

Conducción

En una escala microscópica, la conducción de calor ocurre cuando átomos y moléculas calientes, que se mueven rápidamente o vibran, interactúan con átomos y moléculas vecinos, transfiriendo parte de su energía (calor) a estas partículas vecinas. En otras palabras, el calor se transfiere por conducción cuando los átomos adyacentes vibran entre sí, o cuando los electrones se mueven de un átomo a otro. La conducción es el medio más significativo de transferencia de calor dentro de un sólido o entre objetos sólidos en contacto térmico. Los fluidos, especialmente los gases, son menos conductores. La conductancia de contacto térmico es el estudio de la conducción de calor entre cuerpos sólidos en contacto.El proceso de transferencia de calor de un lugar a otro sin el movimiento de partículas se llama conducción, como cuando se coloca una mano sobre un vaso de agua fría: el calor se conduce desde la piel caliente al vaso frío, pero si la mano está sostenido a unas pocas pulgadas del vidrio, se produciría poca conducción ya que el aire es un mal conductor del calor. La conducción en estado estacionario es un modelo idealizado de conducción que ocurre cuando la diferencia de temperatura que impulsa la conducción es constante, de modo que después de un tiempo, la distribución espacial de temperaturas en el objeto conductor no cambia más (consulte la ley de Fourier). En la conducción en estado estacionario, la cantidad de calor que ingresa a una sección es igual a la cantidad de calor que sale, ya que el cambio de temperatura (una medida de la energía térmica) es cero.Un ejemplo de conducción en estado estacionario es el flujo de calor a través de las paredes de una casa cálida en un día frío: dentro de la casa se mantiene una temperatura alta y afuera, la temperatura se mantiene baja, por lo que la transferencia de calor por unidad de tiempo se mantiene cerca de un tasa constante determinada por el aislamiento en la pared y la distribución espacial de la temperatura en las paredes será aproximadamente constante en el tiempo.

La conducción transitoria (ver Ecuación del calor) ocurre cuando la temperatura dentro de un objeto cambia en función del tiempo. El análisis de los sistemas transitorios es más complejo y las soluciones analíticas de la ecuación del calor solo son válidas para sistemas modelo idealizados. Las aplicaciones prácticas generalmente se investigan utilizando métodos numéricos, técnicas de aproximación o estudio empírico.

Convección

El flujo de fluido puede ser forzado por procesos externos o, a veces (en campos gravitatorios) por fuerzas de flotabilidad causadas cuando la energía térmica expande el fluido (por ejemplo, en una columna de fuego), lo que influye en su propia transferencia. Este último proceso a menudo se denomina "convección natural". Todos los procesos convectivos también mueven el calor en parte por difusión. Otra forma de convección es la convección forzada. En este caso, se fuerza el flujo del fluido mediante el uso de una bomba, un ventilador u otros medios mecánicos.

La transferencia de calor por convección, o simplemente convección, es la transferencia de calor de un lugar a otro por el movimiento de fluidos, un proceso que es esencialmente la transferencia de calor a través de la transferencia de masa. El movimiento a granel del fluido mejora la transferencia de calor en muchas situaciones físicas, como (por ejemplo) entre una superficie sólida y el fluido. La convección suele ser la forma dominante de transferencia de calor en líquidos y gases. Aunque a veces se analiza como un tercer método de transferencia de calor, la convección generalmente se usa para describir los efectos combinados de la conducción de calor dentro del fluido (difusión) y la transferencia de calor por flujo de fluido a granel.El proceso de transporte por flujo de fluidos se conoce como advección, pero la advección pura es un término que generalmente se asocia solo con el transporte de masa en fluidos, como la advección de guijarros en un río. En el caso de la transferencia de calor en fluidos, donde el transporte por advección en un fluido siempre va acompañado también del transporte por difusión de calor (también conocido como conducción de calor) se entiende que el proceso de convección de calor se refiere a la suma del transporte de calor por advección y difusión/conducción.

La convección libre o natural ocurre cuando los movimientos de fluidos a granel (flujos y corrientes) son causados por fuerzas de flotabilidad que resultan de variaciones de densidad debido a variaciones de temperatura en el fluido. La convección forzada es un término que se utiliza cuando los flujos y corrientes en el fluido son inducidos por medios externos, como ventiladores, agitadores y bombas, creando una corriente de convección inducida artificialmente.

Refrigeración por convección

El enfriamiento convectivo a veces se describe como la ley de enfriamiento de Newton:

La tasa de pérdida de calor de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y su entorno.

Sin embargo, por definición, la validez de la ley de enfriamiento de Newton requiere que la tasa de pérdida de calor por convección sea una función lineal de ("proporcional a") la diferencia de temperatura que impulsa la transferencia de calor, y en el enfriamiento por convección a veces este no es el caso.. En general, la convección no depende linealmente de los gradientes de temperatura y, en algunos casos, es fuertemente no lineal. En estos casos, la ley de Newton no se aplica.

Convección vs conducción

En un cuerpo de fluido que se calienta por debajo de su contenedor, se puede considerar que la conducción y la convección compiten por el dominio. Si la conducción de calor es demasiado grande, el fluido que baja por convección se calienta por conducción tan rápido que su movimiento hacia abajo se detendrá debido a su flotabilidad, mientras que el fluido que sube por convección se enfría por conducción tan rápido que su flotabilidad de conducción disminuirá. Por otro lado, si la conducción de calor es muy baja, se puede formar un gran gradiente de temperatura y la convección puede ser muy fuerte.

El número de Rayleigh ( ${ estilo de visualización { rm {Ra}}}$ ) es el producto del Grashof ( ${ estilo de visualización { rm {gr}}}$ ) y Prandtl ( ${ estilo de visualización { rm {Pr}}}$ ) números. Es una medida que determina la fuerza relativa de conducción y convección. ${displaystyle mathrm {Ra} =mathrm {Gr} cdot mathrm {Pr} ={frac {gDelta rho L^{3}}{mu alpha }}={frac {g beta Delta TL^{3}}{nu alfa}}}$

donde

g es la aceleración de la gravedad,
ρ es la densidad con $Delta rho$ siendo la diferencia de densidad entre los extremos inferior y superior,
μ es la viscosidad dinámica,
α es la difusividad térmica,
β es la expansión térmica del volumen (a veces indicada como α en otros lugares),
T es la temperatura,
ν es la viscosidad cinemática, y
L es la longitud característica.

El número de Rayleigh puede entenderse como la relación entre la tasa de transferencia de calor por convección y la tasa de transferencia de calor por conducción; o, de manera equivalente, la relación entre las escalas de tiempo correspondientes (es decir, la escala de tiempo de conducción dividida por la escala de tiempo de convección), hasta un factor numérico. Esto se puede ver de la siguiente manera, donde todos los cálculos dependen de factores numéricos que dependen de la geometría del sistema.

La fuerza de flotación que impulsa la convección es aproximadamente $g Delta rho L ^ 3$ , por lo que la presión correspondiente es aproximadamente $g Delta rho L$ . En estado estacionario, esto se cancela por el esfuerzo cortante debido a la viscosidad y, por lo tanto, es aproximadamente igual a ${displaystyle mu V/L=mu /T_{rm {conv}}}$ , donde V es la velocidad típica del fluido debido a la convección y ${displaystyle T_{rm {conversión}}}$ el orden de su escala de tiempo. La escala de tiempo de conducción, por otro lado, es del orden de ${displaystyle T_{rm {cond}}=L^{2}/alpha }$ .

La convección ocurre cuando el número de Rayleigh está por encima de 1000-2000.

Ilustración de cuatro modos de transferencia de calor desde una fogata

Radiación

La transferencia de calor por radiación es la transferencia de energía a través de la radiación térmica, es decir, ondas electromagnéticas. Ocurre a través del vacío o cualquier medio transparente (sólido, fluido o gas). La radiación térmica es emitida por todos los objetos a temperaturas superiores al cero absoluto, debido a movimientos aleatorios de átomos y moléculas en la materia. Dado que estos átomos y moléculas están compuestos por partículas cargadas (protones y electrones), su movimiento da como resultado la emisión de radiación electromagnética que se lleva energía. Por lo general, la radiación solo es importante en aplicaciones de ingeniería para objetos muy calientes o para objetos con una gran diferencia de temperatura.

Cuando los objetos y las distancias que los separan son de gran tamaño y se comparan con la longitud de onda de la radiación térmica, la tasa de transferencia de energía radiante se describe mejor mediante la ecuación de Stefan-Boltzmann. Para un objeto en el vacío, la ecuación es: ${ estilo de visualización phi _ {q} = épsilon sigma T ^ {4}.}$

Para la transferencia radiativa entre dos objetos, la ecuación es la siguiente: ${displaystyle phi _{q}=epsilon sigma F(T_{a}^{4}-T_{b}^{4}),}$

donde

${ estilo de visualización phi _ {q}}$ es el flujo de calor,
$epsilon$ es la emisividad (unidad para un cuerpo negro),
$sigma$ es la constante de Stefan-Boltzmann,
$F$ es el factor de vista entre dos superficies a y b, y
${displaystyle T_{a}}$ y ${displaystyle T_{b}}$ son las temperaturas absolutas (en kelvin o grados Rankine) de los dos objetos.

El límite de cuerpo negro establecido por la ecuación de Stefan-Boltzmann puede excederse cuando los objetos que intercambian radiación térmica o las distancias que los separan son comparables en escala o menores que la longitud de onda térmica dominante. El estudio de estos casos se denomina transferencia de calor por radiación de campo cercano.

La radiación del sol, o radiación solar, se puede recolectar para calor y energía. A diferencia de las formas de transferencia de calor por conducción y convección, la radiación térmica, que llega en un ángulo estrecho, es decir, proviene de una fuente mucho más pequeña que su distancia, se puede concentrar en un punto pequeño mediante el uso de espejos reflectantes, que se aprovechan para concentrar la generación de energía solar o un vidrio ardiente. Por ejemplo, la luz del sol reflejada en los espejos calienta la torre de energía solar PS10 y durante el día puede calentar el agua a 285 °C (545 °F).

La temperatura alcanzable en el objetivo está limitada por la temperatura de la fuente caliente de radiación. (La ley T permite que el flujo inverso de radiación regrese a la fuente). El sol caliente (en su superficie) algo 4000 K permite alcanzar aproximadamente 3000 K (o 3000 ° C, que es aproximadamente 3273 K) en un pequeño sonda en el punto de enfoque de un gran espejo concentrador cóncavo del horno solar de Mont-Louis en Francia.

Transición de fase

La transición de fase o cambio de fase, tiene lugar en un sistema termodinámico de una fase o estado de la materia a otro por transferencia de calor. Los ejemplos de cambio de fase son el derretimiento del hielo o la ebullición del agua. La ecuación de Mason explica el crecimiento de una gota de agua en función de los efectos del transporte de calor en la evaporación y la condensación.

Las transiciones de fase implican los cuatro estados fundamentales de la materia:

Sólido – Deposición, congelación y transformación de sólido a sólido.
Gas: ebullición/evaporación, recombinación/desionización y sublimación.
Líquido – Condensación y fusión/fusión.
Plasma – Ionización.

Hirviendo

El punto de ebullición de una sustancia es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión que rodea al líquido y el líquido se evapora dando como resultado un cambio abrupto en el volumen de vapor.

En un sistema cerrado, la temperatura de saturación y el punto de ebullición significan lo mismo. La temperatura de saturación es la temperatura para una presión de saturación correspondiente a la cual un líquido hierve en su fase de vapor. Se puede decir que el líquido está saturado de energía térmica. Cualquier adición de energía térmica da como resultado una transición de fase.

A presión atmosférica estándar y bajas temperaturas, no se produce ebullición y la tasa de transferencia de calor está controlada por los mecanismos monofásicos habituales. A medida que aumenta la temperatura de la superficie, se produce una ebullición local y las burbujas de vapor se nuclean, crecen en el fluido más frío circundante y colapsan. Esta es la ebullición nucleada subenfriada y es un mecanismo de transferencia de calor muy eficiente. A altas tasas de generación de burbujas, las burbujas comienzan a interferir y el flujo de calor ya no aumenta rápidamente con la temperatura de la superficie (esta es la desviación de la ebullición nucleada o DNB).

A presión atmosférica estándar similar y altas temperaturas, se alcanza el régimen hidrodinámicamente más silencioso de ebullición de película. Los flujos de calor a través de las capas de vapor estables son bajos, pero aumentan lentamente con la temperatura. Cualquier contacto entre el fluido y la superficie que pueda verse probablemente conduce a la nucleación extremadamente rápida de una capa de vapor fresco ("nucleación espontánea"). A temperaturas aún más altas, se alcanza un máximo en el flujo de calor (el flujo de calor crítico, o CHF).

El efecto Leidenfrost demuestra cómo la ebullición nucleada ralentiza la transferencia de calor debido a las burbujas de gas en la superficie del calentador. Como se mencionó, la conductividad térmica de la fase gaseosa es mucho más baja que la conductividad térmica de la fase líquida, por lo que el resultado es una especie de "barrera térmica de gas".

Condensación

La condensación ocurre cuando un vapor se enfría y cambia su fase a líquido. Durante la condensación, debe liberarse el calor latente de vaporización. La cantidad de calor es la misma que la absorbida durante la vaporización a la misma presión del fluido.

Hay varios tipos de condensación:

Condensación homogénea, como durante una formación de niebla.
Condensación en contacto directo con líquido subenfriado.
Condensación en contacto directo con una pared de refrigeración de un intercambiador de calor: Este es el modo más común utilizado en la industria:
- La condensación en forma de película se produce cuando se forma una película de líquido sobre la superficie subenfriada y, por lo general, ocurre cuando el líquido humedece la superficie.
- La condensación gota a gota es cuando se forman gotas de líquido en la superficie subenfriada y, por lo general, ocurre cuando el líquido no humedece la superficie.

La condensación gota a gota es difícil de mantener de manera confiable; por lo tanto, los equipos industriales normalmente se diseñan para operar en modo de condensación por película.

Transferencia de calor entre un cuerpo caliente a un cuerpo frío en una bomba de calor

Derritiendo

La fusión es un proceso térmico que resulta en la transición de fase de una sustancia de sólido a líquido. La energía interna de una sustancia aumenta, generalmente con calor o presión, lo que resulta en un aumento de su temperatura hasta el punto de fusión, en el cual el orden de las entidades iónicas o moleculares en el sólido se descompone en un estado menos ordenado y el sólido se licua.. Las sustancias fundidas generalmente tienen una viscosidad reducida con temperatura elevada; una excepción a esta máxima es el elemento azufre, cuya viscosidad aumenta hasta cierto punto debido a la polimerización y luego disminuye con temperaturas más altas en su estado fundido.

Enfoques de modelado

La transferencia de calor se puede modelar de varias maneras.

Ecuación de calor

La ecuación del calor es una ecuación diferencial parcial importante que describe la distribución del calor (o la variación de la temperatura) en una región determinada a lo largo del tiempo. En algunos casos, las soluciones exactas de la ecuación están disponibles; en otros casos, la ecuación debe resolverse numéricamente usando métodos computacionales como modelos basados en DEM para sistemas de partículas térmicas/reactivas (según la revisión crítica de Peng et al.).

Análisis de sistema agrupado

El análisis de sistemas agrupados a menudo reduce la complejidad de las ecuaciones a una ecuación diferencial lineal de primer orden, en cuyo caso el calentamiento y el enfriamiento se describen mediante una solución exponencial simple, a menudo denominada ley de enfriamiento de Newton.

El análisis del sistema por el modelo de capacitancia concentrada es una aproximación común en la conducción transitoria que se puede usar siempre que la conducción de calor dentro de un objeto sea mucho más rápida que la conducción de calor a través del límite del objeto. Este es un método de aproximación que reduce un aspecto del sistema de conducción transitorio, el que está dentro del objeto, a un sistema de estado estable equivalente. Es decir, el método asume que la temperatura dentro del objeto es completamente uniforme, aunque su valor puede cambiar con el tiempo.

En este método, se calcula la relación entre la resistencia al calor conductivo dentro del objeto y la resistencia a la transferencia de calor por convección a través del límite del objeto, conocida como el número de Biot. Para números de Biot pequeños, se puede usar la aproximación de la temperatura espacialmente uniforme dentro del objeto: se puede suponer que el calor transferido al objeto tiene tiempo para distribuirse uniformemente, debido a la menor resistencia para hacerlo, en comparación con la resistencia a calor que ingresa al objeto.

Modelos climáticos

Los modelos climáticos estudian la transferencia de calor radiante utilizando métodos cuantitativos para simular las interacciones de la atmósfera, los océanos, la superficie terrestre y el hielo.

Ingenieria

La transferencia de calor tiene una amplia aplicación para el funcionamiento de numerosos dispositivos y sistemas. Los principios de transferencia de calor se pueden utilizar para conservar, aumentar o disminuir la temperatura en una amplia variedad de circunstancias. Los métodos de transferencia de calor se utilizan en numerosas disciplinas, como la ingeniería automotriz, la gestión térmica de dispositivos y sistemas electrónicos, el control del clima, el aislamiento, el procesamiento de materiales, la ingeniería química y la ingeniería de centrales eléctricas.

Aislamiento, luminosidad y resistencia

Los aislantes térmicos son materiales diseñados específicamente para reducir el flujo de calor al limitar la conducción, la convección o ambas. La resistencia térmica es una propiedad del calor y la medida por la cual un objeto o material resiste el flujo de calor (calor por unidad de tiempo o resistencia térmica) a la diferencia de temperatura.

La radiancia o radiancia espectral son medidas de la cantidad de radiación que pasa o se emite. Las barreras radiantes son materiales que reflejan la radiación y, por lo tanto, reducen el flujo de calor de las fuentes de radiación. Los buenos aislantes no son necesariamente buenas barreras radiantes y viceversa. El metal, por ejemplo, es un excelente reflector y un mal aislante.

La eficacia de una barrera radiante se indica por su reflectividad, que es la fracción de radiación reflejada. Un material con alta reflectividad (a una determinada longitud de onda) tiene baja emisividad (a esa misma longitud de onda), y viceversa. En cualquier longitud de onda específica, reflectividad=1 - emisividad. Una barrera radiante ideal tendría una reflectividad de 1 y, por lo tanto, reflejaría el 100 por ciento de la radiación entrante. Los frascos de vacío, o Dewars, están plateados para acercarse a este ideal. En el vacío del espacio, los satélites utilizan aislamiento multicapa, que consta de muchas capas de Mylar aluminizado (brillante) para reducir en gran medida la transferencia de calor por radiación y controlar la temperatura del satélite.

Dispositivos

Una máquina térmica es un sistema que realiza la conversión de un flujo de energía térmica (calor) en energía mecánica para realizar un trabajo mecánico.

Un termopar es un dispositivo de medición de temperatura y un tipo de sensor de temperatura ampliamente utilizado para medición y control, y también puede usarse para convertir calor en energía eléctrica.

Un enfriador termoeléctrico es un dispositivo electrónico de estado sólido que bombea (transfiere) calor de un lado del dispositivo al otro cuando pasa corriente eléctrica a través de él. Se basa en el efecto Peltier.

Un diodo térmico o rectificador térmico es un dispositivo que hace que el calor fluya preferentemente en una dirección.

Intercambiadores de calor

Se utiliza un intercambiador de calor para una transferencia de calor más eficiente o para disipar el calor. Los intercambiadores de calor se utilizan ampliamente en refrigeración, aire acondicionado, calefacción de espacios, generación de energía y procesamiento químico. Un ejemplo común de un intercambiador de calor es el radiador de un automóvil, en el que el líquido refrigerante caliente se enfría mediante el flujo de aire sobre la superficie del radiador.

Los tipos comunes de flujos de intercambiadores de calor incluyen flujo paralelo, contraflujo y flujo cruzado. En flujo paralelo, ambos fluidos se mueven en la misma dirección mientras transfieren calor; en contraflujo, los fluidos se mueven en direcciones opuestas; y en el flujo cruzado, los fluidos se mueven en ángulo recto entre sí. Los tipos comunes de intercambiadores de calor incluyen carcasa y tubo, tubería doble, tubería con aletas extruidas, tubería con aletas en espiral, tubo en U y placa apilada. Cada tipo tiene ciertas ventajas y desventajas sobre otros tipos.

Un disipador de calor es un componente que transfiere el calor generado dentro de un material sólido a un medio fluido, como el aire o un líquido. Ejemplos de disipadores de calor son los intercambiadores de calor utilizados en los sistemas de refrigeración y aire acondicionado o el radiador de un automóvil. Un tubo de calor es otro dispositivo de transferencia de calor que combina la conductividad térmica y la transición de fase para transferir calor de manera eficiente entre dos interfaces sólidas.

Aplicaciones

Arquitectura

El uso eficiente de la energía es el objetivo de reducir la cantidad de energía necesaria para calentar o enfriar. En arquitectura, la condensación y las corrientes de aire pueden causar daños estéticos o estructurales. Una auditoría energética puede ayudar a evaluar la implementación de los procedimientos correctivos recomendados. Por ejemplo, mejoras en el aislamiento, sellado de aire de fugas estructurales o la adición de ventanas y puertas energéticamente eficientes.

El medidor inteligente es un dispositivo que registra el consumo de energía eléctrica en intervalos.
La transmitancia térmica es la tasa de transferencia de calor a través de una estructura dividida por la diferencia de temperatura a través de la estructura. Se expresa en vatios por metro cuadrado por kelvin, o W/(m ·K). Las partes bien aisladas de un edificio tienen una baja transmisión térmica, mientras que las partes mal aisladas de un edificio tienen una alta transmisión térmica.
El termostato es un dispositivo para monitorear y controlar la temperatura.

Ingeniería climática

La ingeniería climática consiste en la eliminación de dióxido de carbono y la gestión de la radiación solar. Dado que la cantidad de dióxido de carbono determina el equilibrio radiativo de la atmósfera terrestre, se pueden aplicar técnicas de eliminación de dióxido de carbono para reducir el forzamiento radiativo. La gestión de la radiación solar es el intento de absorber menos radiación solar para compensar los efectos de los gases de efecto invernadero.

Efecto invernadero

El efecto invernadero es un proceso por el cual la radiación térmica de una superficie planetaria es absorbida por los gases de efecto invernadero atmosféricos y se vuelve a irradiar en todas las direcciones. Dado que parte de esta re-radiación regresa hacia la superficie y la atmósfera inferior, da como resultado una elevación de la temperatura promedio de la superficie por encima de lo que sería en ausencia de los gases.

Transferencia de calor en el cuerpo humano.

Los principios de la transferencia de calor en los sistemas de ingeniería se pueden aplicar al cuerpo humano para determinar cómo transfiere el calor el cuerpo. El calor se produce en el cuerpo por el metabolismo continuo de nutrientes que proporciona energía para los sistemas del cuerpo. El cuerpo humano debe mantener una temperatura interna constante para mantener funciones corporales saludables. Por lo tanto, el exceso de calor debe disiparse del cuerpo para evitar que se sobrecaliente. Cuando una persona realiza niveles elevados de actividad física, el cuerpo requiere combustible adicional que aumenta la tasa metabólica y la tasa de producción de calor. Luego, el cuerpo debe usar métodos adicionales para eliminar el calor adicional producido a fin de mantener la temperatura interna en un nivel saludable.

La transferencia de calor por convección es impulsada por el movimiento de fluidos sobre la superficie del cuerpo. Este fluido convectivo puede ser un líquido o un gas. Para la transferencia de calor desde la superficie exterior del cuerpo, el mecanismo de convección depende del área superficial del cuerpo, la velocidad del aire y el gradiente de temperatura entre la superficie de la piel y el aire ambiente. La temperatura normal del cuerpo es de aproximadamente 37 °C. La transferencia de calor ocurre más fácilmente cuando la temperatura del entorno es significativamente menor que la temperatura corporal normal. Este concepto explica por qué una persona siente frío cuando no se cubre lo suficiente cuando se expone a un ambiente frío. La ropa puede considerarse un aislante que proporciona resistencia térmica al flujo de calor sobre la parte cubierta del cuerpo.Esta resistencia térmica hace que la temperatura en la superficie de la ropa sea menor que la temperatura en la superficie de la piel. Este gradiente de temperatura más pequeño entre la temperatura de la superficie y la temperatura ambiente provocará una transferencia de calor más baja que si la piel no estuviera cubierta.

Para garantizar que una parte del cuerpo no esté significativamente más caliente que otra parte, el calor debe distribuirse uniformemente a través de los tejidos corporales. La sangre que fluye a través de los vasos sanguíneos actúa como un fluido convectivo y ayuda a prevenir cualquier acumulación de exceso de calor dentro de los tejidos del cuerpo. Este flujo de sangre a través de los vasos se puede modelar como flujo de tubería en un sistema de ingeniería. El calor transportado por la sangre está determinado por la temperatura del tejido circundante, el diámetro del vaso sanguíneo, el espesor del fluido, la velocidad del flujo y el coeficiente de transferencia de calor de la sangre. La velocidad, el diámetro de los vasos sanguíneos y el espesor del fluido pueden relacionarse con el Número de Reynolds, un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos para caracterizar el flujo de fluidos.

La pérdida de calor latente, también conocida como pérdida de calor por evaporación, representa una gran fracción de la pérdida de calor del cuerpo. Cuando la temperatura central del cuerpo aumenta, el cuerpo activa las glándulas sudoríparas en la piel para traer humedad adicional a la superficie de la piel. Luego, el líquido se transforma en vapor que elimina el calor de la superficie del cuerpo. La tasa de pérdida de calor por evaporación está directamente relacionada con la presión de vapor en la superficie de la piel y la cantidad de humedad presente en la piel. Por lo tanto, la máxima transferencia de calor ocurrirá cuando la piel esté completamente mojada. El cuerpo pierde agua continuamente por evaporación, pero la cantidad más significativa de pérdida de calor ocurre durante los períodos de mayor actividad física.

Técnicas de enfriamiento

Enfriamento evaporativo

El enfriamiento por evaporación ocurre cuando se agrega vapor de agua al aire circundante. La energía necesaria para evaporar el agua se toma del aire en forma de calor sensible y se convierte en calor latente, mientras que el aire permanece en una entalpía constante. El calor latente describe la cantidad de calor que se necesita para evaporar el líquido; este calor proviene del propio líquido y del gas y las superficies circundantes. Cuanto mayor sea la diferencia entre las dos temperaturas, mayor será el efecto de enfriamiento por evaporación. Cuando las temperaturas son las mismas, no se produce una evaporación neta de agua en el aire; por lo tanto, no hay efecto de enfriamiento.

Refrigeración por láser

En física cuántica, el enfriamiento por láser se utiliza para alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto (−273,15 °C, −459,67 °F) de muestras atómicas y moleculares para observar efectos cuánticos únicos que solo pueden ocurrir a este nivel de calor.

El enfriamiento Doppler es el método más común de enfriamiento por láser.
El enfriamiento simpático es un proceso en el que partículas de un tipo enfrían partículas de otro tipo. Por lo general, los iones atómicos que se pueden enfriar directamente con láser se utilizan para enfriar iones o átomos cercanos. Esta técnica permite el enfriamiento de iones y átomos que no se pueden enfriar con láser directamente.

Refrigeración magnética

El enfriamiento por evaporación magnética es un proceso para bajar la temperatura de un grupo de átomos, después de haberlos preenfriado mediante métodos como el enfriamiento por láser. La refrigeración magnética enfría por debajo de 0,3K, aprovechando el efecto magnetocalórico.

Enfriamiento radiativo

El enfriamiento radiativo es el proceso por el cual un cuerpo pierde calor por radiación. La energía saliente es un efecto importante en el presupuesto energético de la Tierra. En el caso del sistema Tierra-atmósfera, se refiere al proceso mediante el cual se emite radiación de onda larga (infrarroja) para equilibrar la absorción de energía de onda corta (visible) del Sol. La termosfera (parte superior de la atmósfera) se enfría hacia el espacio principalmente por la energía infrarroja radiada por el dióxido de carbono (CO2) a 15 μm y por el óxido nítrico (NO) a 5,3 μm. El transporte de calor por convección y el transporte de calor latente por evaporación eliminan el calor de la superficie y lo redistribuyen en la atmósfera.

Almacenamiento de energía térmica

El almacenamiento de energía térmica incluye tecnologías para recolectar y almacenar energía para su uso posterior. Puede emplearse para equilibrar la demanda de energía entre el día y la noche. El depósito térmico puede mantenerse a una temperatura superior o inferior a la del entorno ambiental. Las aplicaciones incluyen calefacción de espacios, sistemas de agua caliente sanitaria o de proceso, o generación de electricidad.

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