Kitabı oku: «Eficiencia energética en las instalaciones de calefacción y acs en los edificios. ENAC0108», sayfa 2
3. Transmisión de calor
La experiencia nos dice que el cuerpo que presenta más temperatura le cede calor al cuerpo o sistema de menor temperatura, hasta quedar en equilibrio. A continuación, se abordará el proceso de transferencia de calor y los mecanismos que hacen esto posible.
3.1. Mecanismos de transmisión de calor
La transmisión de calor entre dos sistemas se puede realizar mediante los mecanismos de conducción, radiación y convección. Estos mecanismos se distinguen entre ellos por la manera física de propagar el calor entre los diferentes sistemas. Cabe decir que durante la propagación de calor entre dos o varios sistemas puede producirse la transferencia de calor entre varios mecanismos de forma simultánea.
Radiación
El mecanismo de radiación permite transferir el calor de un cuerpo a otro, sin la necesidad de existir un contacto directo entre ambos. Ello es posible gracias al transporte de la energía mediante ondas electromagnéticas o cuantos.
El fenómeno de transmisión de calor mediante radiación podemos observarlo en el Sol, el cual se encuentra a millones de kilómetros de distancia de la Tierra y separados por el vacío.
El empleo de la radiación como medio de transferencia de energía está muy presente en nuestra vida cotidiana.
Actividades
4. Además del uso de ondas electromagnéticas para calentar un alimento en el microondas, ¿con qué otros fines se emplea la transmisión de energía mediante radiación en la actualidad? Recoja su investigación en una tabla.
La ecuación que permite cuantificar la cantidad de calor emitido por radiación en función del tiempo viene recogida en la Ley de Stefan-Boltzmann, mediante la cual se determinó la temperatura del Sol a partir de la densidad de flujo energética de este.
Donde:
“” es el flujo de calor medido en Watios (W).
“ε” es la emisividad de la superficie de estudio.
“σ” es la constante de Stefan-Boltzmann.
“A” es el área de emisión.
“T” es la temperatura del emisor medida en Kelvin.
Convección
El calentamiento o enfriamiento por convección se produce cuando la transmisión de calor se realiza entre un cuerpo fluido (gas o líquido) que se desplaza en contacto con una superficie sólida, existiendo una diferencia de temperatura entre ambos.
Ejemplo
Un ejemplo de convección se puede encontrar en verano cuando nos ponemos delante de un ventilador, enfocamos un chorro de aire (fluido) hacia nuestro cuerpo (sólido) para acelerar el proceso de intercambio térmico. Al ser la temperatura del aire menor que nuestra temperatura corporal, nos proporciona una sensación de frescura.
Es importante puntualizar que en el caso en el que el fluido se encuentre en reposo, el mecanismo de transferencia de calor se realiza por conducción, aunque los sistemas que entren en juego sean un sólido y un fluido.
El flujo de calor por convección fue establecido por Newton, mediante la ecuación:
Donde:
“h” es el coeficiente de transferencia en convección.
“Ts y Tf” = temperatura del sólido y del fluido respectivamente.
Actividades
5. En la siguiente lista se presenta una serie de situaciones. Clasifique los mecanismos de transferencia que se producen y razone su respuesta.
1 Taza con café.
2 Ventilador/radiador del coche.
3 Calentamiento de agua mediante un equipo solar térmico.
4 Chimenea.
5 Calentar una sartén en la vitrocerámica.
Aplicación práctica
En esta ocasión, sus compañeros de EcoClima S. L. le han pedido que seleccione los emisores/radiadores para cada estancia del hotel. Para saber el modelo que va a emplear, debe calcular el calor aportado por el radiador y compararlo con el calor necesario en la estancia. Con los datos que se aportan a continuación, calcule el calor generado por cada elemento.
Datos:
SOLUCIÓN
Dado que se trata de un radiador, se producen dos mecanismos de transferencia de calor: por una parte radiación y por otra convección.
El primer paso será convertir la temperatura a grados Kelvin.
Ahora procedemos al cálculo del calor aportado por radiación, cuya ecuación es:
Sustituyendo, obtenemos:
El calor aportado por convección se obtiene de la ecuación:
Que, sustituyendo, se obtiene:
Por tanto, el calor total aportado por el elemento/radiador es:
3.2. Conducción. Ley de Fourier
La conducción es un mecanismo de transferencia de calor por contacto directo entre dos sistemas con diferentes temperaturas. El sistema que se encuentra a mayor temperatura presenta una mayor agitación de sus átomos y moléculas que, mediante los rozamientos y las colisiones con los átomos y moléculas del sistema adyacente, transfieren parte de su energía térmica.
Sabía que...
En la mayoría de los metales que presentan una buena conductividad eléctrica la transmisión de calor por conducción entre dos extremos separados se realiza de forma más acelerada. Esto se debe a que el metal presenta electrones libres que pueden desplazarse más rápidamente a lo largo de él.
La conductividad térmica (k) es la magnitud que permite cuantificar la facilidad que presenta un sistema para transmitir el calor. Gracias a esta magnitud diferenciamos entre aislantes térmicos y materiales conductores de calor. La conductividad térmica se mide en W/(K·m).
Fourier estableció mediante una serie de experimentos termodinámicos que la temperatura se desplaza a lo largo de un sólido de forma gradual, disminuyendo la temperatura conforme se distancia del foco generador de calor. La ecuación que rige el mecanismo de transmisión de calor por conducción recibe el nombre de Ley de Fourier y se enuncia como:
Donde dT es la diferencia de temperatura entre dos puntos y dx la distancia entre esos puntos.
Ejemplo
Vamos a calcular el área necesaria para calentar el agua del interior de un depósito mediante una tubería, sabiendo que el espesor de la tubería de cobre es de dx = 1 mm, la conductividad térmica es k = 380 W/(K·m), la diferencia de temperatura dT = -25 K, y el calor aportado es Q = 475 W.
SOLUCIÓN
A partir de los datos aportados y teniendo en cuenta que se produce una transferencia de calor mediante conducción, aplicamos la ecuación:
Sustituyendo, nos queda:
Despejando, obtenemos:
Actividades
6. Elabore un listado de las situaciones cotidianas en las que se produce la transmisión del calor por conducción.
Aplicación práctica
Tras haber estudiado los mecanismos de transferencia de calor, se toma un descanso y, mientras cocina, se le ocurre la idea de calcular el mecanismo de transferencia de calor que se produce entre la vitrocerámica y la sartén. Calcule la temperatura a la que se están cocinando los alimentos a partir de los datos aportados.
Temperatura vitrocerámica = 105 °C.
Espesor de la sartén = 1 cm.
Radio de la sartén = 10 cm.
k = 50 W / (K·m).
Q = 610 W.
SOLUCIÓN
Al tratarse de una transferencia de calor por conducción, aplicamos la Ley de Fourier:
Sustituyendo, queda:
Despejando la temperatura, queda:
Por lo tanto, en este caso la comida se está cocinando a una temperatura de 101 °C.
4. Resumen
No solo debe tenerse en cuenta la termodinámica para el cálculo de instalaciones o para el diseño de las mismas, sino que la termodinámica está presente en nuestra vida cotidiana. Entendiendo el funcionamiento de las escalas termométricas, somos capaces de convertir medidas térmicas entre las distintas escalas existentes.
Conocer los mecanismos de transferencia de calor y saber calcular el calor transferido por los distintos procesos, nos permite comparar y evaluar la eficiencia de dos sistemas de calefacción, eligiendo el sistema que más nos interese en cada momento.
Ejercicios de repaso y autoevaluación
1. Indique la respuesta correcta.
1 Una tubería no puede constituir un sistema termodinámico.
2 La termodinámica es una rama de la astrología que se basa en el estudio del intercambio de materia y energía, los elementos que conforman el universo.
3 El sistema termodinámico se encuentra aislado del entorno mediante unos límites definidos.
2. ¿Qué clases de sistemas podemos distinguir en termodinámica? Defínalos.
3. ¿Cómo se denomina la situación termodinámica en la que se encuentra un sistema en el momento de estudio?
1 Base.
2 Estado.
3 Proceso.
4 Situación.
4. Las propiedades termodinámicas pueden ser de carácter intensivas y extensivas.
Clasifique las siguientes propiedades.
1 Densidad.
2 Volumen.
3 Temperatura.
4 Presión.
5. ¿A cuántos julios equivale una caloría? ¿Y una atmósfera de presión a cuántos milímetros de mercurio?
6. Complete.
El _______________ es energía que se desplaza de un sistema a otro debido a la diferencia de temperatura entre ambos. Cuando dos _______________ están en contacto el _______________ de ambos tiende a igualarse dando como resultado un _______________.
7. Nombre, al menos, tres escalas termométricas.
8. Explique por qué no es posible encontrar valores negativos en la Escala térmica del SI.
9. ¿Qué fórmula debemos aplicar si queremos convertir la temperatura de la escala Kelvin a la escala Celsius? ¿Y de la escala Fahrenheit a la escala Celsius?
10. ¿Cuáles son los mecanismos de transmisión de calor?
11. ¿Gracias a qué principio enunciado por Ralph H. Fowler fue posible la construcción de los primeros termómetros?
1 El principio de igualdad térmica y equilibrio.
2 El principio de equilibrio entre masas en distintos estados.
3 El principio cero de la termodinámica.
4 El principio de equilibrio entre energías internas de dos sistemas en contacto mediante el mecanismo de transferencia de conducción.
12. ¿Qué mecanismo nos permite transferir el calor de un cuerpo a otro, sin la necesidad de existir un contacto directo entre ambos?
1 Transferencia por conducción.
2 Transferencia por convección.
3 Transferencia por radiación.
4 Las respuestas b. y c. son correctas.
13. Relacione cada ecuación con el mecanismo de transferencia.
| Conducción |  |
| Convección |  |
| Radiación |  |
14. La ecuación que rige el mecanismo de transmisión de calor por conducción recibe el nombre de __________________.
15. Ordene.
Capítulo 2
Combustión y combustibles
1. Introducción
La combustión es el proceso que tiene por objeto liberar la energía que contiene un combustible, como puede ser el carbón, petróleo o la madera en forma de calor. Durante el proceso de combustión el combustible se va consumiendo generando residuos gaseosos o sólidos.
Inicialmente el hombre comenzó a dominar el proceso de combustión (fuego) para calentarse y cocinar los alimentos, hoy en día el proceso de combustión y los combustibles como fuente de energía ocupan un lugar muy destacado en la vida moderna, estando muy presentes en la actividad cotidiana.
El avance de la técnica ha permitido al hombre el estudio de nuevos procesos de combustión, la mejora de la eficiencia del proceso y la utilización de nuevos combustibles (biocombustibles, pellets, etc.).
Para diseñar instalaciones eficientes es necesario conocer los procesos de combustión y los tipos de combustibles, con el fin de seleccionar el proceso más idóneo y que mejor se adapte a la instalación objeto de estudio.
2. Combustión
La combustión se produce a través de un conjunto de reacciones de oxidación que se producen entre dos elementos: el combustible y el comburente. El proceso de reacción que se genera es exotérmico, por lo que libera energía en forma de calor. Para que se dé una reacción de combustión, el combustible debe ser fácilmente oxidable.
2.1. Conceptos básicos de combustión
La combustión se diferencia de otros procesos químicos por la presencia de una llama que produce la oxidación rápida del combustible en forma de deflagraciones, detonaciones y explosiones, pudiendo mantener o no dicha llama estable durante todo el proceso.
Combustión en una caldera
Definición
Oxidación
Reacción química donde un elemento cede electrones a otro. Cuando un elemento químico acepta electrones se produce la reducción, reacción química opuesta a la oxidación. Dichas operaciones son intrínsecas, es decir, cuando una sustancia se oxida, automáticamente se produce la reducción de otra.
La reacción de combustión se realiza a temperaturas muy elevadas en presencia de oxígeno, necesario para la combustión y que debe ser aportado como parte del proceso de combustión.
Actividades
1. Coloque una vela o cerilla sobre una superficie no combustible (un plato de cerámica o vidrio, o sobre una superficie metálica horizontal), encienda la llama y tápelo con un vaso de cristal. Observe qué es lo que ocurre pasados unos minutos. ¿A qué se debe? Describa el fenómeno.
Para que se produzca el fenómeno de la combustión deben darse de manera simultánea tres fenómenos:
1 La existencia de material combustible.
2 La existencia de material comburente.
3 Energía de activación.
Estos tres fenómenos se relacionan entre sí constituyendo el denominado triángulo de combustión, en el que es necesaria la existencia de sus tres vértices para que se lleve a cabo la combustión.
El comburente es el medio en el cual se produce la combustión; el oxígeno es un buen comburente debido a que se trata de una molécula poco reactiva al presentar un doble enlace químico y un carácter fuertemente electronegativo.
En los procesos de combustión normalmente se emplea el aire como comburente, ya que su composición se encuentra formada por un 20% de oxígeno (O2) y un 80% de nitrógeno (N2), salvo en aquellas ocasiones donde, por cuestiones técnicas, sea más interesante el empleo de una atmósfera controlada, como por ejemplo en ciertos procesos de soldadura.
La energía de activación (Ea) es la energía mínima inicial que necesita ser aportada a un sistema para desencadenar una reacción química. Esta inyección de energía vence las fuerzas que repelen los electrones entre dos moléculas muy próximas.
Una vez iniciada la combustión ya no es necesaria la aportación de la energía de activación, de manera que si se mantiene de manera continua y estable la inyección de los reactivos se obtiene un proceso que libera energía en forma de calor y radiación lumínica.
La mayoría de los combustibles, ya sean sólidos, líquidos o gaseosos, se componen básicamente de carbono (C) e hidrógeno (H), como por ejemplo el gas butano (C4H10) o la gasolina (C8H18), además de otros elementos como el azufre (S).
Actividades
2. Localice en su entorno cotidiano tres procesos de combustión e identifique el combustible, el comburente y la energía de activación.
Poder calorífico
La cantidad de calor que se obtiene de la oxidación completa (combustión), a presión atmosférica, del volumen de los componentes de un combustible se define como poder calorífico (Cp), es decir, el poder calorífico es la cantidad de energía que puede desprender la reacción química entre un combustible y un comburente.
El poder calorífico de un elemento se expresa en kWh/kg, aunque para combustibles líquidos y gaseosos puede emplearse kWh/l y kWh/m3, respectivamente.
En la reacción de combustión, el oxígeno se combina con el hidrógeno formando agua; además, los combustibles pueden presentar humedad en su composición. En función de la cantidad de agua en el humo, se distinguen dos clases de poderes caloríficos:
1 Poder calorífico inferior: se refiere a la cantidad de calor liberado en la oxidación completa del combustible, que puede ser aprovechado y que obtiene como producto vapor de agua. Parte de la energía se pierde durante el proceso evaporando el agua.
2 Poder calorífico superior: es la cantidad de calor que se genera en una reacción de oxidación teniendo como uno de sus productos agua líquida. El poder calorífico superior permite medir la cantidad de calor total producida.
Ejemplo
Se presenta la reacción de combustión:
En esta reacción se combina una molécula de metano (CH4) con otra de oxígeno (O2) para dar como resultado una molécula de dióxido de carbono (CO2) y dos moléculas de agua (H2O), además de calor. Como puede observarse en la combustión, se genera una cantidad de agua importante, por lo que su evaporación resta eficiencia al proceso de generación de calor.
Cuando se emplea madera para generar calor en una chimenea es muy importante que esta contenga una cantidad muy pequeña de humedad para que la combustión sea más eficiente, y también la cantidad de calor resultante sea mayor.
2.2. Tipos de combustión
Podemos clasificar los distintos tipos de combustión atendiendo a la velocidad a la que se realiza el proceso y las proporciones de combustible y comburente empleadas en la reacción.
Cuando se produce una reacción de combustión existe un intervalo de tiempo entre la ignición inicial y la combustión rápido.
Definición
Ignición
Según la RAE, es la acción que inicia o desencadena ciertos procesos físicos o químicos.
La ignición se corresponde con la energía de activación necesaria para el inicio de la combustión, la cual puede provenir de una chispa eléctrica.
Los factores que modifican la velocidad de combustión son:
1 El estado del combustible (líquido, sólido o gaseoso).
2 La humedad del combustible.
3 La cantidad de aire durante la reacción.
4 Otros factores (como el diseño de la cámara de combustión, la presencia de suciedad y elementos no deseados, etc.).
Según la velocidad de reacción de combustión
Las reacciones de combustión se producen a distintas velocidades, pudiendo distinguir entre tres tipos:
1 Combustiones lentas: se llevan a cabo sin la emisión de llamas o luz y generalmente irradian una cantidad de calor muy baja como consecuencia de la baja cantidad de oxígeno existente.
Sabía que...
Las combustiones lentas están catalogadas como muy peligrosas en incendios domésticos, ya que de producirse una repentina entrada de aire (comburente) el fuego se aviva rápidamente, activando el incendio.
2. Combustiones rápidas: generan fuertes emisiones de luz y calor como consecuencia de las combustiones espontáneas que se llevan a cabo en su interior.
3. Combustiones estables: son aquellas en la que la proporción de combustible y comburente se mantiene constante y por tanto su velocidad de combustión a lo largo del ciclo. Las combustiones estables permiten un menor consumo de combustible.
Consejo
La mayoría de los accidentes domésticos se deben al fuego en la cocina. Si el aceite de una sartén comienza su combustión, se recomienda tapar esta, de manera que al privar la reacción de oxígeno esta finalice. Nunca intentar apagar el fuego de una sartén con aceite con agua, ya que se consigue el efecto contrario.
Según las proporciones del combustible y comburente
Diferenciamos tres tipos de combustiones en función de las proporciones de combustible y comburente en la reacción:
1 Combustión incompleta: donde se lleva a cabo una reacción con defecto de oxígeno, al aportarse una cantidad de aire menor a la necesaria para quemar completamente el combustible. Las combustiones con defecto de oxígeno favorecen la formación de monóxido de carbono (CO), altamente tóxico. Además, presentan el inconveniente de generar un exceso de humos y ser poco eficientes, al quedar parte del combustible sin reaccionar. Ejemplo: en el día a día podemos encontrar diferentes situaciones en las que se pueden producir reacciones de combustión incompleta, que pueden llegar a afectar a la salud de las personas. Algunos de estos casos son: la combustión incompleta de un brasero, un calentador de agua o la combustión incompleta que se produce en el motor de un automóvil.
2 Combustión completa: se produce cuando la reacción se realiza con un nivel de oxígeno mayor del necesario, lo que garantiza el máximo grado de oxidación del combustible. Este proceso queda intrínsecamente exento de emisión de sustancias combustibles en los gases de escape. No obstante, en la combustión completa se generan pérdidas de calor, debidas a una mayor eliminación de la cantidad de gases junto con los humos.Gases de escape en una combustión
3 Combustión estequiométrica: este tipo de reacción aporta al proceso la cantidad de aire necesaria (sin exceso, ni defecto) para quemar completamente todo el combustible.
Otras reacciones de combustión
Además de las combustiones estudiadas, existen dos reacciones de combustión muy importantes:
1 Deflagración: es una reacción de combustión a muy alta velocidad, en la que no se produce explosión. Durante el proceso de deflagración, la llama avanza mediante la difusión térmica de la energía. Este fenómeno se produce cuando el combustible es altamente inflamable. Un ejemplo de deflagración sería la combustión del gas butano en la hornilla cuando este es encendido mediante una chispa.
2 Detonación: la detonación ocurre a una velocidad mucho mayor que la deflagración, superando la barrera del sonido y generando una onda de choque. En los procesos de detonación es muy importante el diseño del contenedor de la mezcla para aumentar la potencia de la detonación.
La gasolina es un combustible que a temperatura y presión ambiental su combustión no produce una detonación; en cambio, cuando la gasolina es introducida a presión dentro del cilindro del motor, la combustión de esta genera una explosión de una gran fuerza de empuje. Por tanto, un mismo combustible puede realizar una combustión de deflagración o detonación en función del medio en el que está confinado.
Actividades
3. Clasifique la siguiente lista, según sea deflagración o detonación.
1 Encender una cerilla.
2 La pólvora de un cohete de fuegos artificiales.
3 Encender un calentador de butano.
4 Motor de combustión.
5 Combustión de un barril de gas inflamable.
Aplicación práctica
Una fábrica de cerámicas ha solicitado un presupuesto para la sustitución de las calderas diésel, que emplea para calentar los hornos, por calderas de biomasa que trabajen con hueso de aceituna. El cliente es un perfecto conocedor de los procesos de combustión, y quiere que en el presupuesto aparezca porque se trata de un proceso eficiente. Como técnico encargado, debe seleccionar el proceso de combustión más adecuado en el que debe trabajar la caldera y justificarlo al cliente.
SOLUCIÓN
Desde el punto de vista de la velocidad de combustión, la caldera debe trabajar en un régimen de combustión estable donde la proporción de hueso de aceituna y aire sea constante, ya que permite un menor consumo de hueso de aceituna, mejorando la eficiencia.
Las proporciones de hueso de aceituna y aire deben permitir una combustión completa acercándose a proporciones estequiométricas, de manera que no se produzca un exceso de aire que haga perder calor a la caldera, ni un defecto de aire que produzca una combustión incompleta del hueso de aceituna.
Teniendo en cuenta estos dos factores, a la hora de producir la combustión del hueso, la caldera trabajará en un proceso eficiente donde el consumo de combustible será el estrictamente necesario.
