INVESTIGACIÓN UNIDAD 5-6

UNIDAD 5: TRANSFERENCIA DE CALOR

UNIDAD 6: TRANSFERENCIA DE MASA

MATERIA: LABORATORIO INTEGRAL I

CARRERA: INGENIERÍA QUÍMICA

SEMESTRE: SEXTO
GRUPO: A

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 TABLA DE CONTENIDO

Introducción...............................................................................................................3
Unidad 5. Transferencia de calor..............................................................................4
5.1 Conductividad térmica......................................................................................4
5.2 Coeficiente global de transferencia de calor....................................................5
5.3 Correlaciones para coeficientes de película en equilibrio................................6
5.4 Perfiles de temperaturas..................................................................................7
5.5 Eficiencia de superficies extendidas................................................................8
Unidad 6. Transferencia de masa.............................................................................9
6.1 Coeficiente de difusión gaseosa en celdas de arnold......................................9
6.2 Coeficiente de transferencia de masa en diferentes dispositivos..................10
Conclusión...............................................................................................................12
Bibliografía...............................................................................................................13

INTRODUCCIÓN
La presente investigación abarca el tema de transferencia de calor y masa en la
mayoría de las operaciones unitarias que se producen diariamente en el sector
industrial se llevan a cabo un sinnúmero de intercambios de energía térmica. Los

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responsables de estas operaciones unitarias intentaran reutilizar esta energía
térmica con el fin de ahorrar costos de operación ya que estos requiero de una
gran cantidad monetaria solo para su funcionamiento. La manera en que se
transfiere calor se produce cuando dos o más cuerpos que están a diferentes
temperaturas y que entran en contacto produciendo que el cuerpo de mayor
temperatura transfiera calor al de menor temperatura hasta llegar a un equilibrio.
En ingeniería química estos fenómenos de transferencia de calor se presentan en
las operaciones unitarias, se denomina operación unitaria es cada una de las
acciones necesarias de transporte, adecuación y/o transformación de las materias
implicadas dentro de un proceso.
El tema de transferencia de masa que se refiere al movimiento neto de masa
desde una ubicación, lo que generalmente significa flujo, fase, fracción o
componente, a otra. La transferencia de masa ocurre en muchos procesos, como
la absorción, evaporación, secado, precipitación, filtración por membrana y
destilación. se caracteriza por transferir una sustancia de una a otra a escala
molecular. Cuando se ponen en contacto dos fases que tienen diferente
composición, la sustancia que se difunde abandona el lugar de una región de
mayor concentración a otro de baja concentración.
Los procesos de transferencia de masa son importantes ya que la mayoría de los
procesos químicos requieren de la purificación inicial de las materias primas o de
la separación final de productos y subproductos. Para esto en general, se utilizan
las operaciones de transferencia de masa.
Esta investigación se realizó por el interés de conocer un poco más sobre este
proceso por su gran importancia en la industria química, ya que es muy difícil
encontrar un proceso químico que no requiera previamente la purificación de la
materia prima o un producto intermedio, o simplemente separar el o los productos
finales del proceso de sus subproductos. Las mismas casi siempre van
acompañadas de operaciones de transferencia de calor y del movimiento o flujo de
fluidos.

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UNIDAD 5. TRANSFERENCIA DE CALOR
5.1 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la
capacidad de conducción de calor. En otras palabras, la conductividad térmica es
también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus
moléculas a otras adyacentes o a sustancias con las que está en contacto. En el
Sistema Internacional de Unidades la conductividad térmica se mide en W/(m·K)
(equivalente a J/(m·s·K) y en unidades básicas a (Kg·m)/(K·s3 ))
La conductividad térmica es una magnitud intensiva. Su magnitud inversa es la
resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso
del calor. Definido como:

Una conductividad térmica de 1 vatio por metro y kelvin indica que una cantidad de
calor de un julio (J) se propaga a través de un material por conducción térmica:

 en 1 segundo
 por una superficie de 1 m2
 por un grosor de 1 m
 cuando la diferencia de temperatura entre las dos caras es de 1 K.
Cuanto mayor sea su conductividad térmica, un material será mejor conductor del
calor. Cuanto menor sea, el material será más aislante. Por ejemplo, el cobre tiene
una conductividad de 380 vatios por kelvin y metro, y es más de 10 000 veces
mejor conductor del calor que el poliuretano (0,035 vatios por kelvin y metro).

5.2 COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Existen ciertos tipos de problemas, principalmente relacionados con intercambiadores de
calor, donde es conveniente simplificar el cálculo del calor, esto se realiza incorporando el
concepto de coeficiente global de transferencia de calor, U , el cual se relaciona con el
calor mediante la siguiente ecuación: total

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Donde: U: Coeficiente global de transferencia de calor, U = [ W / m K 2 ]
Con relación a la analogía eléctrica podríamos señalar que el coeficiente Global de
transferencia de calor se obtiene al reducir todo el circuito eléctrico análogo, a una
sola resistencia total, la cual se relaciona con, U, a través de:

En el caso de paredes bañadas por fluidos, tanto compuestas como sencillas, en

muchas ocasionas interesa obtener la velocidad de transferencia de calor ( Q-
punto) en función de un área y de las temperaturas superior e inferior ( sin tener
en cuenta las temperaturas intermedias ) siguiendo el modelo de la Ley de
enfriamiento de Newton. Para el caso particular de conducción unidimensional, en
régimen estacionario, a través de una pared plana, de conductividad térmica
constante y uniforme y en la que se mantiene una temperatura constante y
uniforme.
El factor “U” como se le denomina comúnmente, es el coeficiente de transferencia
de calor resultante después de tener en cuenta la conductividad térmica y la
conductancia de la capa superficial, sus unidades son: (SI) watts/ hr x m2 de área
x diferencia de temperatura en ºC o (Sist. métrico) Kcal. / hr. x m2 de área x
diferencia de temperatura en ºC o (Sist. inglés) BTU/ hr x pie2 de área x diferencia
de temperatura en ºF.

Normalmente se aplica a estructuras compuestas, tales como paredes, techos y

tejados.
Para calcular el factor “U”, se encuentra primero la resistencia total y después su
recíproco.

Donde;

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R= resistencia del elemento
Fi= coeficiente de convección al interior.
Fe= coeficiente de convección al exterior.
a= coeficiente de transmisión de calor del aire por convección.
K1...k3= coeficiente de conductividad térmica de los materiales,
E1..E3= espesores de los materiales
El calor total transferido por conducción varía directamente con el tiempo, área y
diferencia de temperatura, e inversamente con el espesor del material.
5.3 CORRELACIONES PARA COEFICIENTES DE PELÍCULA EN EQUILIBRIO
El coeficiente de película, coeficiente de convección o coeficiente de transmisión
superficial, representado habitualmente como h, cuantifica la influencia de las
propiedades del fluido, de la superficie y del flujo cuando se produce transferencia
de calor por convección.
La transferencia de calor por convección se modela con la Ley del enfriamiento de
Newton:

Donde:
h=¿ Es el coeficiente de película.
A s=¿¿ Es el área del cuerpo en contacto con el fluido.

T S=¿¿ Es la temperatura de la superficie del cuerpo.

T inf=¿ ¿ Es la temperatura del fluido a cierta distancia del cuerpo, donde ésta y la velocidad del
fluido son constantes.

Convección natural.
El fluido se mueve debido a cambios de densidad que resultan del cambio de la
temperatura
Convección forzada.
Se obliga al fluido a fluir mediante medios externos, como un ventilador o una
bomba.
 Externa
 Interna

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La transmisión de calor de un sólido a un fluido se produce a través de la
superficie de contacto. En las proximidades de dicha superficie, las turbulencias
propias de las corrientes del fluido desaparecen, y el régimen es laminar.
5.4 PERFILES DE TEMPERATURAS
El análisis de la transferencia de calor por convección es muy importante ya que
existen diversos sistemas en ingeniería en los cuales está involucrado el
transporte de energía para retirar o transferir calor, los cuales necesitan del
conocimiento de cómo se lleva a cabo dicho fenómeno con el propósito de diseñar
equipos eficientes o bien mejorar los que están en funcionamiento.
Las aplicaciones en la ingeniería son múltiples y variadas, por ejemplo, en la
refrigeración, en calentadores de agua domésticos, en la combustión, entre otros.
La conducción está relacionada con el contacto directo entre las partículas de dos
sistemas diferentes que tienden a igualar la temperatura de estos. La ley de
Fourier relaciona dicho calor por unidad de área con el gradiente de temperatura.

Para determinar el perfil de temperatura es necesario tomar ´parejas de datos

altura-temperatura a lo largo del sólido, dado que las partículas del aislante
pueden ser fácilmente separables, el contenedor puede tener ductos por donde
introducir la termocupla a diferentes alturas, obteniendo así una muestra
significativa de datos para generar el perfil experimental de temperaturas.
Los perfiles de temperatura ofrecen un método efectivo para medir el entorno y la
temperatura reales del producto durante el proceso de curación (esenciales para
garantizar un acabado de calidad y una curación correcta de un revestimiento en
polvo).
No todos los componentes son iguales, y en raras ocasiones presentan un
espesor, una densidad o una capacidad térmica uniformes. Esto significa que la
configuración de temperatura de horno debe ajustarse para adaptarla al producto
revestido. La supervisión y los ajustes en la temperatura de horno garantizan que
el producto alcance y se mantenga a la temperatura especificada para asegurar
una calidad homogénea de la curación y de las propiedades visuales en todo
momento.
5.5 EFICIENCIA DE SUPERFICIES EXTENDIDAS
Al hablar de superficie extendida, se hace referencia a un sólido que experimenta
transferencia de energía por conducción dentro de sus límites, así como

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transferencia de energía por convección e (y/o radiación) entre sus límites y los
alrededores.
La aplicación más frecuente es aquella en la que se usa una superficie extendida
de manera específica para aumentar la rapidez de transferencia de calor entre un
sólido y un fluido contiguo, Las aletas se usan cuando el coeficiente de
transferencia de calor por convección h es pequeño.
Supongamos a los efectos de la demostración que dentro del tubo fluye un fluido
frío y que el exterior de la aleta está en contacto con un fluido caliente a
temperatura constante Tc y con un coeficiente pelicular convectivo hf .
El calor que entra por los dos lados de la aleta a través del área dA es:

 Las aletas mejoran la transferencia de calor desde una superficie al exponer un

área más grande a la convección y la radiación
 Las superficies con aletas son de uso común en la práctica para mejorar la
transferencia de calor y a menudo incrementan la razón de esa transferencia
desde una superficie varias veces.
 En el análisis de las aletas, se considera operación estacionaria sin generación
de calor en la aleta y se supone que la conductividad térmica k del material
permanece constante.
En condiciones estacionarias, el balance de energía sobre este elemento de
volumen se puede expresar como:

Un paso importante en el diseño de una aleta es la determinación de su longitud

apropiada, una vez que se especifican el material y la sección transversal de la
misma. Para tener la máxima transferencia de calor, la aleta debe ser infinitamente
larga, sin embargo, la temperatura cae exponencialmente a lo largo de ella y
alcanza la temperatura ambiente a cierta longitud.

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 UNIDAD 6. TRANSFERENCIA DE MASA
6.1 COEFICIENTE DE DIFUSIÓN GASEOSA EN CELDAS DE ARNOLD.
El coeficiente de difusión depende de la presión de la temperatura y de la
composición del sistema. Como es de esperar, de acuerdo con la movilidad de las
moléculas, los coeficientes de difusión son generalmente mayores en los gases,
que en relación con los líquidos que son mayores a los valores obtenidos en
relación con los sólidos.
Para los Gases: Para mezclas gaseosas binarias a baja presión DAB es
inversamente proporcional a la presión, aumenta con la temperatura y es casi
independiente con la composición, para una mezcla de dos gases determinados. A
presiones elevadas DAB.
En el movimiento molecular en el estado sólido la transferencia de masa se divide
dos campos, La difusión de gases o líquidos en los poros del sólido: se puede
llevar mediante tres mecanismos:
1. Difusión de Fick: si los poros son grandes y el gas relativamente denso, la
transferencia de masa se llevará a cabo por medio de la difusión de Fick.2.
2. Difusión Knudsen: Ocurre cuando el tamaño de los poros es de él orden de la
trayectoria media libre de la molécula en difusión; es decir si el radio del poro
es muy pequeño, las colisiones ocurrirán principalmente entre las moléculas
del gas y las paredes del poro y no entre las propias moléculas.
3. Difusión superficial: Esta tiene lugar cuando las moléculas que se han absorbido
son transportadas a lo largo de la superficie como resultado de un gradiente
bidimensional de concentración superficial.

Celda de Arnold: Un método usado para medir la

difusividad de los gases, consiste en la Celda de Arnold,
la cual se compone de un depósito de líquido puro que se
mantiene en el fondo de un tubo de diámetro pequeño,
que al evaporarse se difunde dentro de un espacio
gaseoso por encima del depósito. Por otra parte, un gas
insoluble en dicho líquido, fluye a través de la boca del
tubo con objetivo de arrastrar los vapores del líquido.
6.2 COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE MASA EN
DIFERENTES DISPOSITIVOS.
La transferencia de masa cambia la composición de soluciones y mezclas
mediante métodos que no implican necesariamente reacciones químicas y se
caracteriza por transferir una sustancia a través de otra u otras a escala molecular.
El proceso de transferencia molecular de masa, al igual que la transferencia de
calor y de momentum están caracterizados por el mismo tipo general de ecuación

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En esta ecuación la velocidad de transferencia de masa depende de una fuerza
impulsora (diferencia de concentración) sobre una resistencia, que indica la
dificultad de las moléculas para transferirse en el medio. Esta resistencia se
expresa como una constante de proporcionalidad entre la velocidad de
transferencia y la diferencia de concentraciones denominado: "Difusividad de
masa". Un valor elevado de este parámetro significa que las moléculas se
difunden fácilmente en el medio.

Hay dos modos de transferencia de masa:

molecular: La masa puede transferirse por medio del movimiento molecular fortuito
en los fluidos (movimiento individual de las moléculas), debido a una diferencia de
concentraciones. La difusión molecular puede ocurrir en sistemas de fluidos
estancados o en fluidos que se están moviendo.
convectiva: La masa puede transferirse debido al movimiento global del fluido.
Puede ocurrir que el movimiento se efectúe en régimen laminar o turbulento. El
flujo turbulento resulta del movimiento de grandes grupos de moléculas y es
influenciado por las características dinámicas del flujo. Tales como densidad,
viscosidad, etc.
En ingeniería, el coeficiente de transferencia de masa es una constante de
velocidad de difusión que relaciona la tasa de transferencia de masa, área de
transferencia de masa, y el cambio de concentración como fuerza motriz:

Esto se puede usar para cuantificar la transferencia de masa entre fases, mezclas
de líquidos inmiscibles y parcialmente miscibles (o entre un fluido y un sólido
poroso2). La cuantificación de la transferencia de masa permite el diseño y la
fabricación de equipos para procesos de separación que pueden cumplir con
requisitos específicos, estimar lo que sucederá en situaciones de la vida real
(derrames químicos), etc.

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CONCLUSIÓN
En conclusión podemos decir que de esta forma podemos ver cual son los tipos de
maneras que se transfiere el calor entre dos cuerpos como son conducción,
convección y radiación. Pues esto nos ayuda a de alguna manera saber cómo
funcionan los diferentes dispositivos de intercambiadores de calor.
La transferencia de calor es de particular interés para los ingenieros, quienes
intentan comprender y controlar el flujo de calor a través de los aislamientos
térmicos, intercambiadores de calor, y otros dispositivos. La transferencia de calor
se enseña a los estudiantes y graduados de ingeniería mecánica y química.
Así que concluyo que este tema es de vital importancia que un ingeniero químico
lo conozca y se interese por aprender estos temas pues es un reforzamiento
académico; y sepa cómo actuar para cuando esté presente en una situación
laboral y por supuesto seria genial que tuviéramos experimentos donde podamos
visualizar estos temas tan interesantes
La transferencia de masa es cuando un sistema contiene dos o más componentes
cuyas concentraciones varían de un punto a otro. Este proceso se utiliza en
ingeniería de reacción, ingeniería de separaciones, ingeniería de transferencia de
calor y muchas otras subdisciplinas de ingeniería química como la ingeniería
electroquímica.
El estudio de la transferencia de masa es importante en la mayoría de los
procesos químicos que requieren de la purificación inicial de materias primas y la
separación de productos y subproductos, así como para determinar los costos, el
análisis y diseño del equipo industrial para los procesos de separación. La
difusividad de masa es un parámetro que indica la facilidad con que un compuesto
se transporta en el interior de una mezcla, ya en gases, líquidos y sólidos. Las
moléculas gaseosas se difunden con mayor facilidad que las moléculas de líquido
debido a que las moléculas de gas tienen pocas moléculas vecinas con las que
pueda interactuar y las fuerzas son relativamente débiles; en los sólidos las
fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las
moléculas en una distribución fija.

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BIBLIOGRAFÍA
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