conducción de calor en estado transitorio

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27/08/2013 1 Sucede cuando cambian las condiciones de frontera de un sistema. Por ejemplo; si cambia la temperatura superficial de un cuerpo, la temperatura Conducción de calor en estado transitorio de cada punto también va a cambiar hasta que se alcance una nueva distribución de temperaturas de estado estable. Se debe resolver en forma apropiada la ecuación del calor. t T C q z T K z y T K y x T K x p i Si los gradientes de temperatura dentro del sólido son pequeños se aplica Si los gradientes de temperatura dentro del sólido son pequeños se aplica “Método de la resistencia interna despreciable” o de “la capacitancia concentrada”.

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Page 1: Conducción de calor en estado transitorio

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Sucede cuando cambian las condiciones de frontera de un sistema.

Por ejemplo; si cambia la temperatura superficial de un cuerpo, la temperatura

Conducción de calor en estado transitorio

de cada punto también va a cambiar hasta que se alcance una nueva distribución de temperaturas de estado estable.

→ Se debe resolver en forma apropiada la ecuación del calor.

t

TCq

z

TK

zy

TK

yx

TK

x pi

Si los gradientes de temperatura dentro del sólido son pequeños → se aplicaSi los gradientes de temperatura dentro del sólido son pequeños → se aplica “Método de la resistencia interna despreciable” o de “la capacitancia concentrada”.

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Método de la resistencia interna despreciable

Si un sólido experimenta un cambio súbito de temperatura del medio en el cual esta inmerso → aparece una transferencia de calor por convección en la interfaz sólido Líquidointerfaz sólido-Líquido.

Se supone que la temperatura es espacialmente uniforme en cualquier instante del proceso → Los gradientes de temperatura dentro del sólido son insignificantes.

→ No se puede aplicar la ecuación de difusión del calor → se realiza un balance global de energía del sólido.

Donde:

balance global de energía del sólido.

dt

dTCpVTTAsh )(

-Qsale= Qalmacena

o

Considerando θ = T – T∞ e integrando

dt

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t

i

dtd

Ash

CpV

0

t = Tiempo que requiere el sólido para alcanzar la temperatura T

ti

Ash

CpV

ln

t = Tiempo que requiere el sólido para alcanzar la temperatura T.

t

CpV

Ash

eTTi

TT

i

Temperatura que alcanza el sólido en un tiempo t.

“La diferencia entre la temperatura del sólido y del fluido deben caer exponencialmente a cero conforme t→∞”

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4

CtRtCpV

AshAsh

CpV 1

El Termino, τ, se conoce como “constante térmica de tiempo”,

Donde:

Rt = “Resistencia a la transferencia de calor por convección”

Ct = “Resistencia interna despreciable del sólido”

A > τ → respuesta térmica más lenta → mayor tiempo para alcanzar el ilib i té iequilibrio térmico.

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Transferencia total de energía para un tiempo “t”

t t

dtAshdtqQ 0 0

dteiAshQt t

CpV

Ash

0

t

-Qsale= Qalmacena

t

eiCpVQ 1

Si Qsale > 0 → el sólido pierde energía

Si Qsale < 0 → el sólido gana energía

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Número de Biot

K

LchBi

Donde, Lc = longitud característica, generalmente:

sólido

A

VLc

sólidoA

Si Bi<<1 → “la resistencia a la conducción dentro del sólido es mucho menor que la resistencia a la convección a través de la capa límite del fluido” → es razonable la suposición de una distribución de temperaturas uniforme.

Habitualmente se toma cuando Bi < 0.1Habitualmente se toma cuando Bi 0.1

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Número de Fourier

t

CpV

Ash

eTTi

TT

i

TTii

FoBiLc

t

k

Lch

Lc

t

Cp

k

k

Lch

LcCp

th

CpV

tAsh****

22

Generalmente su exponente se puede escribir como:

El Número de “Fo = αt/Lc2” es un tiempo sin dimensión que, junto al número de Bi, caracterizan los problemas de conducción de calor en estado transitorio.

FBiTT FoBieTTi

TT

i

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Coordenadas adimensionales

Si existen gradientes de temperatura dentro del sólido, significativos → el método de la resistencia interna despreciable no es aplicable → se debe

i l ió d lrecurrir a la ecuación de calor.

Pero en algunos problemas, como la pared plana, el cilindro, y la esfera, solo se necesita una coordenada espacial.

TT

1

2

2

(para pared plana)tx 2 (para pared plana)

ix TT 0,Condición inicial:

0

x

T2 condiciones de frontera:“Por simetría del centro de la placa”

0 xx

TThx

Tk tL

Lx, “En la superficie de la placa”

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Las temperaturas en la pared no son solo T(x,t), sino T=T(x, t, Ti, T∞,L, k, h, α)

→ para simplificar la resolución analítica o numérica conviene→ para simplificar la resolución analítica o numérica conviene adimensionalizar las ecuaciones:

10 **

TTi

TT

i

“Coordenada espacial adimensional”L

xx *

FoL

tt

2*

“ Nº Fourier”

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Sustituyendo:

Fox

T

*

2*

*2

Y las condiciones iniciales y de frontera son:

10,*

* x

00

*

*

*

xx

**

1*

*

,1*

tBix x

1x x

→ Ahora “la distribución de temperaturas transitoria” es solo función de: θ* = f(x*, Fo, Bi)

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Pared Plana con Convección

Solución exacta:T(x, 0)= Ti

T∞, hT∞, h

x*=x/L

** cos2

xeCn nFon

L L

Se supone la placa se sumerge en t=0 en un líquido a T∞

Binn tan nn

n

sen

senCn

22

4

1n

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Pared Plana con Convección

Solución aproximada:

Si Fo>0.2 → La solución serie infinita se aproxima por el primer termino.

*1

*0

*11

* coscos21 xxeC Fo

p p p

Se puede observar que la dependencia de la temperatura con respecto al

TT

TTeC Fo 0

1*0

21 “Representa la temperatura en el plano medio x*=0”

tiempo, en cualquier lugar dentro de la pared, es la misma que la temperatura del plano medio.

TTi

Los coeficientes C1 y ς1 salen del número de Biot (Bi=hL/K) o de la siguiente tabla:

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Pared Plana con Convección

Transferencia total de energía:

Q = -[E(t) – E(0)] = energía que se almacena

itx

Volumen

TTCpQ ),(

[ (t) (0)] g q

Para adimensionalizar: Q0 = ρ Cp V (Ti-T∞)

“Es la energía interna inicial de la pared, relativa al fluido”. “Es el valor máximo de transferencia de energía si t→∞”.

dvvv

dv

TT

TT

Q

Q itx

*),( 11

*0

1

1

0

1 sen

Q

Q

vvTTQ i 0

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Pared Plana con Convección

Representaciones gráficas para problemas con Fo>0.2:

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Pared Plana con Convección

Representaciones gráficas para problemas con Fo>0.2: