F OCOPUNT UALI NF E RI OR
Hume da dr e l av a
F OCOL I NE ALPE RI ME T RAL
Hume da dr e l av a
40% T ªhúme da : 160C
T ªs e c a : 250C
F OCOPUNT UALE S QUI NA
T ªe f e cv a : 21, 50C
T ªhúme da : 150C
T ªs e c a : 220C
T ªe f e cv a : 21, 50C
Hume da dr e l av a Gr á fic odet e mpe r a t ur a se f e cv a s
T ªhúme da : 17, 50C
T e mpe r a t ur as e c a
T e mpe r a t ur ahúme da
T ªs e c a : 280C
T ªe f e cv a : 23, 50C Ve l oc i da dde l a i r e
AGRUPACI ÓNDEUNI DADE SE NVE RT I CAL DE F ORMACI ÓN1
E S T UDI OPRI MARI O
DE F ORMACI ÓN2
4, 46m
0, 85m
0, 68m
200CACT . ME T ABÓL I CA ME DI A 200CACT . ME T ABÓL I CA ME DI A
Z ONAHABI T ABL E
3, 45m
Z ONAHABI T ABL E
Al t e r a c i óndel a c ur v ai de a l
Z ONAHABI T ABL E
Z ONAHABI T ABL E
5, 28m
3, 40m
26ª CACT . ME T ABÓL I CA MÍ NI MA
Al t e r a c i óndel a c ur v ai de a l
Z ONAHABI T ABL E
2, 82m
18ª CACT . ME T ABÓL I CA AL T A
Z ONAHABI T ABL E
1, 44m
5, 00m
1, 70m
5, 30m
Uni da dc a pt a dor a Aume nt odel at e mpe r a t ur ae nl a z onas upe r i or E l e v a c i óndel az onaha bi t a bl epa r ac ons e g ui rma y or t e mpe r a t ur a . Pé r di dadet e mpe r a t ur ae nl apa r t e i nf e r i or Uni da ddi s i pa dor a
Aume nt odel as e c c i ónf a c i l i t a ndol as ubi dade la i r e c a l i e nt e , porl oquee nl az onai nf e r i orl at e mpe r a t ur a e smá sba j a .
Aume nt odel aa l t ur apa r adi s mi nui re l c a l or e nl az onaha bi t a bl e Abomba mi e nt odel az onas upe r i orpa r ar e duc i rl a s ubi dade l a i r ec a l i e nt e
Z ONAHABI T ABL E Z ONAHABI T ABL E
16
24
32
C
0
16
24
32
C
0
16
24
32
C
0
16
24
32
C
0
E S T UDI ODEAGRE GACI ÓNDEUNI DADE SMACL ADASYDE F ORMACI ÓN E S T UDI ODEAGRE GACI ÓNDEUNI DADE SE NVE RT I CAL
DE F ORMACI ÓN
30ºC
E S T UDI O
18ºCACT . ME T ABÓL I CAAL T A
30ºC
Aume nt ode l c a l ore nl az onai nt e r me di a
250C
Al t e r a c i óndel a c ur v ai de a l
Al t e r a c i óndel a c ur v ai de a l
180C
300C
DE F ORMACI ÓN
Al t e r a c i óndel a c ur v ai de a l
E S T UDI ODEAGRE GACI ÓNDEUNI DADE SE NHORI Z ONT ALYVE RT I CAL
Ac umul a c i ónde l c a l ore nl auni da di nf e r i ormá sba j aye nl auni da ds upe r i or
BÚS QUE DADES I T UACI ONE SE XT RE MAS
T E MPE RAT UY RASCORRE GI DAS ME DI ANT EL ADE F ORMACI ÓN
RADI ACI ÓN
E S T UDI OGE OMÉ T RI CO
MARÍ AAMI GO9029, RAMÓNPUÑE T2371, L I ONE LCHAMMA11140 PROF E S ORARE NAT AS E NT KI E WI CZ UNI DADDOCE NT EI ÑAKI ÁBAL OS , E T S AM, UPM Oc t ubr e2011
RADI ACI ÓN, CONVE CCI ÓN, CONDUCCI ÓN, E VAPOT RANS PI RACI ÓN UNI DADE NE RGÉ T I CAMÍ NI MA RE DE ST E RMODI NÁMI CAS
FACTOR DE FORMA: Igual volumen de foco, un 10% del total en todos los modelos.
GRAMÁTICA Y SINTAXIS ESPACIAL TERMODINÁMICA CONDUCCIÓN
5
LEY DE FOURIER: qx=-KAdT
dx
De la ley general de la conducción térmica, se deduce que el área de contacto y la diferencia de temperatura son directamente proporcionales al intercambio de calor. En principio nos quedamos con el dato del área, puesto que no contemplamos el aumento de la temperatura del foco como una posible optimización. INVESTIGACIÓN: Nuestro objetivo es averiguar como optimizar la superficie de contacto entre foco y cubo para aumentar el intercambio. SUPERFICIES EXTENDIDAS Se denominan superficies extendidas a aquellos sólido que experimentan una transferencia de energía por conducción dentro de su límites, y otra por convección entre sus límites y los alrededores. Por simplificación, tomamos un foco isótropo. La aplicación más común de este tipo de estudios es precisamente la de aumentar la transferencia de calor. La superficie pasa a denominarse ALETA. Para estudiar el comportamiento obtenemos las fórmulas a partir de una simple modelización, con la aleta que vemos al margen: dx Por conservación de la energía: qx= qx+dx + dqconv dAs Ac(x) dq
ALETAS: Igual volumen de foco, pero optimizado gracias a la teoría.
qconv Fluído: T, h T1 qx,1
dx
qx+dx:
conv
x
qx,2
qx=-KAdT
De la ley de Fourier:
qx +dx La conducción de calor en
T2
Al final, sustituyendo y operando nos queda la ecuación diferencia de segundo orden:
qx+dx= qx + dqdx
dx
d dT h dAs dx(Ac dx) - k dx (Tsup-Taire)=0
r1=25mm Tb=500K t=6mm r2=45mm
Repetimos la operación para intentar ver como varía la transferencia según la geometría, y esto es lo que obtenemos. Mantenemos el coeficiente de convección constante. 3000 2500
b Af=2π(r₂²-r1²) qC/A =hAt [1- NAf At (1- f) θ At=NAf+2πr1(H-Nt) qt= 690 f= 0.95 qS/A=h (2πrH)θb=263 ∆q =690-263= 454
qt (W)
H=0.15m
La utilidad de este proceso es calcular la transmisión de calor. Vemos un ejemplo con el que además demostramos como se puede optimizar la forma del foco. Calculamos la cantidad de calor con aletas y sin aletas. Se deduce de la fórmula general con los condicionantes impuestos que:
2000 1500 1000 500
ARIAS MERINO, SERGIO; BERMEJO GONZÁLEZ, GONZALO PROFESOR MIGUEL KREISLER UNIDAD DOCENTE IÑAKI ABALOS, ETSAM, UPM Octubre 2011
5
10
15
20
25
30
N
Mantenemos t cte. y variamos la distancia entre aletas Mantenemos la distancia entre aletas cte. y variamos t.
RADIACIÓN, CONVECCIÓN, CONDUCCIÓN Y EVAPOTRANSPIRACIÓN UNIDAD ENERGÉTICA MÍNIMA POT-IN-POT
POSIBLES EJEMPLOS FORMALES.
GRAMÁTICA Y SINTAXIS ESPACIAL TERMODINÁMICA CONVECCIÓN
6
donde h es el factor de coeficiente
q=h As(Ts-T)
La fórmula general de la convección se expresa como:
de convección promedio de la superficie:
1 h=As
hdAs
Por ser un proceso más fácil, empezamos a estudiar el fenómeno de la CONVECCIÓN FORZADA, que no implica las fuerzas de gravedad, ni tampoco densidades, es decir, nos olvidamos de la materialidad del aire. Gráficas h y Esquema general velocidad inicial del aire
h(x)
Región turbulenta (x) Capa amortiguamiento Subcapa laminar Laminar
Turbulento
Laminar
Ts Turbulento
x
Velocidad alta h bajo
Transición
Transición
CONCLUSIONES La presencia de turbulencias aumenta h, y estas dependen de la configuración de la superficie de contacto. Velocidad media h medio
Posibles soluciones para evitar la zona laminar junto al foco.
Si se producen estrechamientos, aumenta la v del aire, y con ella la h.
Si el foco es así aumenta el régimen turbulento Velocidad baja h alto Analizamos ahora el caso que más nos incumbe, el de CONVECCIÓN NATURAL. La fuerza externa que antes introducíamos, ahora se crea espontáneamente debido a un campo de temperaturas, que produce un gradiente de densidades: el aire caliente pesa menos que el frío. Así, las fuerzas gravitatorias, causan un movimiento del fluido.
T1
x
x
T2 dT/dx >0
dρ <0 dx
< T>T
Ts>T
x
Penache
T
Chorro
ARIAS MERINO, SERGIO; BERMEJO GONZÁLEZ, GONZALO PROFESOR MIGUEL KREISLER UNIDAD DOCENTE IÑAKI ABALOS, ETSAM, UPM Octubre 2011
Lámina vertical
Ejemplo de cómo podría optimizarse un foco para conseguir mayor convección Consideramos una placa vertical de 0.25 m de longitud que está a 70 ºC. La placa se suspende en aire que está a 25 ºC. Estime el espesor de la capa límite en la orilla posterior de la placa si el aire está en reposo. ¿Cómo se compara este espesor con el qeu existiría si el aire fluyera sobre la placa a una velocidad de flujo libre de 5m/s? Tenemos de propiedades constantes, derivadas de un estudio un poco más complejo mediante diferenciales con las que obtener las fórmulas que finalmente se usan: L=0.25m Tf=320.5 K; v=17.95x10-6 m²/s; Pr=0.7; = Tf-1 = 3.12x10-3 K-1 Para el aire en reposo: Para el aire a u =5m/s GrL = gβ(Ts-T � ) L³v²= 6.69 x 107 Por ser lineal aplicamos la fórmula ReL= uv� L 6.97x104
6L =0.024m (GrL4)^1/4
L=
5L L=ReL^1/2 = 0.0047 m
Turbulencia L
CONCLUSIÓN.
Ts=70ºc
AIRE
T u
=25ºC = 0 ó 5 ,m/s
La clave está en aumentar la velocidad del aire. Conseguimos que el coeficiente de convección aumente considerablemente. Laminar
RADIACIÓN, CONVECCIÓN, CONDUCCIÓN Y EVAPOTRANSPIRACIÓN UNIDAD ENERGÉTICA MÍNIMA POT-IN-POT
8
GRAMÁTICA Y SINTAXIS ESPACIAL TERMODINÁMICA RADIACIÓN
Cuantas más veces sea reflejado el rayo, más parte de su energía se absorberá y viceversa.
Esquema de lo que ocurre en el proceso de radiación aplicado a una superficie en un punto.
Emisión Depende de las características internas de la materia, de la temperatura y de la naturaleza. Relación entre superficies: Factor de forma integral. dAj nj ni dAi
R
qj
Irradiación El porcentaje de radiación absorbida depende de la superficie, de características como el albedo.
Las propiedades geométricas nos permiten controlar los efectos de focos artificiales. Fracción de la radiación que sale de la superficie i que es interceptada por la superficie j Fij= 1
Aj,Tj
Aj
qi
Radiosidad Es el sumatorio de la radiación propia de la superficie y la que refleja.
Ejemplo: Fij=1- sen(a)
2
AiAj cosθicosθj dAi dAj πR²
a
Ai,Ti Este factor de forma esta directamente relacionado con el intercambio de calor entre dos superficies. Así, en una superficie ideal, en la que no hubiera reflexión, la fórmula sería: qij=Ai Fij σ (Ti^4-Tj^4)
σ=cte
Relación entre superficies que forman recintos: En un recinto el factor de forma es siempre 1. En la fórmula anterior se introducen los datos de emisividad, considerando que en cualquier superficie se produce absorción. r1 σ (Ti^4-Tj^4) Dos esferas concéntricas r2 q12=q1=-q2= ___________________ 1-ε1 1 1-ε2 σ (Ti^4-Tj^4) ε1A1 +A1F12 + ε2A2 q12=_____________ 1 1-ε2 r1
+
ε1 ε2 r2 Conclusiones: Es esencial definir el comportamiento de cada material, lo que puede dar lugar a que funcionen como acumuladores de energía, la geometría puede controlar en gran parte la irradiación, y el conocimiento del f. de forma y distribución del calor puede provocar fenómenos convectivos y conductivos ARIAS MERINO, SERGIO; BERMEJO GONZÁLEZ, GONZALO PROFESOR MIGUEL KREISLER UNIDAD DOCENTE IÑAKI ABALOS, ETSAM, UPM Octubre 2011
Forma óptima para conseguir homogeneidad en la transferencia de calor. La asimetría puede causar gradientes que provoquen convección
Solución perfecta si queremos calentar desde un foco puntual un elemento puntual distanciado.
Existen dos posibilidades: que queramos calentar homogéneamente una superficie a partir de un foco puntual y que a partir de radiación solar queramos aumentar la temperatura de un foco.
Importante: una lámina a la misma Tª situada en horizontal y en vertical funciona como elemento por convección principalmente en vertical y por radiación principalmente en horizontal.
RADIACIÓN, CONVECCIÓN, CONDUCCIÓN Y EVAPOTRANSPIRACIÓN UNIDAD ENERGÉTICA MÍNIMA POT-IN-POT
2
12
GRAMÁTICA Y SINTAXIS ESPACIAL TERMODINÁMICA SALAS SIMBIÓTICAS EN EXTREMADURA O SIMILAR:
SALAS SIMBIÓTICAS EN EL MAR MEDITERRÁNEO:
Características: Clima seco, con altas temperaturas por el día y bajas por la noche. No contamos con vientos específicos.
Características: Viento constante de una determinada componente durante el día debido al mar. Temperaturas bastante constantes.
Sala A, superior: Uso continuo, con necesidad de evacuar calor durante el día y recibirlo durante la noche Sala B, inferior: Uso diario, siendo un núcleo disipador de calor.
Sala A, inferior: Uso diario, con necesidad de evacuar calor Sala B, superior: Uso continuo, con necesidad de mantener una temperatura de confort entorno a los 20 ºC
Material con gran inercia térmica.
Sistema de evaporación
ARIAS MERINO, SERGIO; BERMEJO GONZÁLEZ, GONZALO PROFESOR MIGUEL KREISLER UNIDAD DOCENTE IÑAKI ABALOS, ETSAM, UPM Octubre 2011
RADIACIÓN, CONVECCIÓN, CONDUCCIÓN Y EVAPOTRANSPIRACIÓN UNIDAD ENERGÉTICA MÍNIMA POT-IN-POT