Libro de: Fundamentos de Transferencia de Calor

Titulo: Fundamentos de Transferencia de Calor
Autor: Frank P. Incropera / David P. DeWitt
Cuarta Edición
Editorial Pearson (versión en español)
País de Impresión: México
Páginas (Aproximadas): 176
Tamaño: 17mb aprox

Este es un buen libro de ingeniería, muy útil para empezar a comprender la transferencia de calor (de gran ayuda si llevas cursos de Operaciones Unitarias). El libro está compuesto de 3 capitulos:

1. Capitulo 1: Una introduccion a la transferencia de Calor (por conducción, convección y radiación, entre otros)
   
2. Capitulo 2: Introducción a la transferencia de calor por Conducción.
3. Capitulo 3: Conducción Unidimensional de estado estable

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Transferencia de Calor por Radiación y su Aplicación en la Agroindustria

Introducción: Como ya se sabe, hay tres formas de transferencia de calor: Conducción, convección y radiación. En la conducción, el calor se transfiere de una parte de un cuerpo a otra, produciéndose un calentamiento del material de que está entre ambas partes. En la convección, el calor se transfiere por el mezclado de los materiales y por conducción. En la transferencia radiante de calor, el medio a través del cual se transfiere el calor casi nunca se calienta. Básicamente, este mecanismo consiste en una transferencia de calor por radiación electromagnética.

La radiación térmica es una forma de radiación electromagnética similar a los rayos X, las ondas de luz, los rayos gamma, etc, y la única diferencia es la longitud de onda (entre λ, 10^-7 y 10^-4). Obedece a las mismas leyes que la luz: se desplaza en línea recta, puede trasnmitirse a través del espacio y del vacío, etc. Es un mecanismo de calor muy importante, en especial cuando hay grandes diferencias de temperatura, como en un horno de tubos de vapor, en secadores radiantes y en hornos para cocción de alimentos. La radiación suele ir acompañada de radiación y convección.

Mecanismo de Transferencia de calor por Radiación: Está constituido por tres etapas o fases:

1. La energía térmica de una fuente de calor, como la pared de un horno (T1), se convierte en la energía de la ondas de radiación electromagnética.
2. Estas ondas se desplazan a través del espacio en línea recta y llegan a un objeto frío (T2), como un tubo que contiene agua que se desea calentar.
3. Las ondas electromagnéticas que chocan contra el cuerpo son absorbidas por éste y se vuelven a transformar en energía o calor.

Cuando se calientan diferentes superficies a la misma temperatura, no emiten o absorben la misma cantidad de energía térmica radiante. Un cuerpo que absorbe y emite la máxima cantidad de energía a una temperatura dada se llama cuerpo negro, y es un estándar contra el que pueden compararse otros cuerpos.

Absortividad y Cuerpos Negros: Cuando la radiación térmica (igual que las ondas de luz) incide sobre un cuerpo, parte de ella es absorbida por éste en forma de calor, otra parte se refleja de regreso al espacio y otra se transmite a través del cuerpo. Para la mayoría de los propósitos de la ingeniería, los cuerpos se consideran opacos a la transmisión de la luz, por lo que ésta puede despreciarse. Por tanto, en el caso de cuerpo opacos,

α + ρ = 1.0

donde α es la absortividad o fracción absorbida, y ρ es la reflectividad o fracción reflejada.

Un cuerpo negro se define como aquel que absorbe toda la energía radiante y no refleja porción alguna de la misma. Por eso para un cuerpo negro, ρ es 0 y α = 1. En la realidad, en la práctica no hay cuerpos negros perfectos, pero una aproximación muy cercana sería un pequeño orificio en un cuerpo cilíndrico hueco, como se muestra en la siguiente figura:

La superficie interior del cuerpo hueco se ennegrece con carbón. La radiación penetra por el orificio e incide en la pared de enfrente, parte se absorbe allí mismo y parte se refleja, continuando así el proceso. De esta manera, casi toda la energía que penetra es absorbida y el área del orificio actúa como un cuerpo negro perfecto. La superficie de la pared interior es "rugosa" y los rayos se dispersan en todos los sentidos, a diferencia de un espejo, donde se reflejan en ángulos definidos.

Como ya se mencionó, un cuerpo negro absorbe toda la energía radiante que incide sobre él y no refleja ninguna porción. Un cuerpo negro también emite radiación, dependiendo de su temperatura. La relación entre el poder de emisión de una superficie y el de un cuerpo negro se llama emisividad ε y es 1.0 para un cuerpo negro. La Ley de Kirchhoff enuncia que a una misma temperatura T1, los valores de α₁ y el de ε₁ en una determinada superficie son iguales:

α₁ = ε₁

Aplicación de la Transferencia de Calor por Radiación en la Agroindustria: La utilización de la radiación térmica en la agroindustria se ha dado en:

1. Calentamiento de Alimentos por Microondas.-En la cocción ordinaria, el calor transfiere al alimento por conducción, convección. Por otro lado, cuando los alimentos se calientan utilizando microondas, la energía se enlaza directamente al alimento en forma de radiaciones electromagnéticas a frecuencias de microondas, de modo que la absorción de energía y el calentamiento consecuente se llevan a cabo de todos los puntos del alimento. Como resultado, la conducción de calor por todo el alimento no constituye el modo principal de calentamiento, de manera que este es muy rápido.
2. Hornos de Procesos: Un horno de proceso es un equipo constituido por un cerramiento metálico revestido interiormente por una pared refractaria aislante, dentro del cual se dispone un serpentín tubular por el que circula un producto que se desea calentar y/o evaporar a través del calor liberado por un combustible sólido, líquido o gaseoso que se inyecta convenientemente al horno. En el quemador se produce la reacción de combustión que genera una masa de gases calientes que son los productos de combustión. Estos gases entregan calor por radiación al serpentín y salen por la chimenea. Por otro lado, del calor liberado en la combustión, una parte es aprovechado en el calentamiento del producto y una parte se pierde en la chimenea y las paredes.
3. Calentamiento y evaporación en el proceso de secado de los grnaos y otros productos agrícolas: Mediante el uso de un colector solar, se puede aprovechar la radiación solar. Este elemento transforma la radiación solar en energía para calentar el aire. El funcionamiento básico del colector solar, que se emplea para generar pequeños aumentos de la temperatura del aire, consiste en recibir la radiación solar que incide en la superficie externa del colector, hecha de material transparente, generalmente vidrio o plástico. La radiación solar que atraviesa la película transparente del colector incide en una superficie, que se denomina absorbedora, y aumenta su temperatura. El flujo de aire calentado por contacto con esa superficie se puede aprovechar en el secado de productos agrícolas.

Bibliografia

• Geankopolis C. J. 1988. “Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias”. 3ª edición. Compañía Editorial Continental S.A. México.
• Sharma S. K, Mulvaney S. J, Rizvi. S. H. 2003. “Operaciones Unitarias y Prácticas de Laboratorio”. 1ª edición. Editorial LIMUSA. México.
• E. Cao. 2004. “Transferencia de Calor en Ingeniería de Procesos”. 1ª edición. Argentina.
• Antoninho D. V, Marcal Q. D, Marques P. J, Sinicio R. 1991. “Secado de Granos: Natural, solar y a bajas temperaturas”. Oficina Regional de la FAO para America Latina y el Caribe.