S04.s04 Transferencia de Calor Por Radiación

Unidad I
Transferencia de calor
Temario
Semanas 4:
►Transmisión de calor con superficies extendidas;
Ecuación general de las aletas.
Semanas 5:
►Conducción unidimensional de calor.
Semanas 6:
►Casos particulares de conducción de calor: Practica calificada.
Semana Semana
4 5
Semana
6
Logro de la unidad I
Transferencia de Calor por radiación. Transferencia de calor

Comprender los fundamentos de la
transferencia de calor y determinar la
transferencia de calor por radiación y por
los medio de leyes que gobiernan este
fenómeno.
Semana 1
Radiación de calor
Temas:
- Ecuación general de la radiación de
calor
- Ecuación de radiación en el traslado
del calor en el espacio.
Transferencia de calor por radiación
Las energías radiantes q
podemos mencionar:
- Los rayos cósmicos
- Rayos gamma
- Rayos x
- Rayos ultravioleta
- La luz visible
- Rayos infrarrojos
- Ondas de radio
Q      A(Ts4  Trec
4
) [W]
 ; emisividad de la superficie
  5.67x 10 -8 [W/m 2 K 4 ]constante de Stefan - Boltzmann
Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
Tipos de radiación según su forma de interacción con la
materia
Radiación Ionizante
Energía suficiente para liberar electrones de los átomos,
producir ionización y romper enlaces químicos en
moléculas. Ejm.
Rayos cósmicos, Rayos gamma, Rayos X.
Radiación No Ionizante
Su energía no es suficiente para liberar electrones de los
átomos ni romper enlaces químicos. Ejm.
Rayos ultravioleta, Energía electromagnética de Radio
Frecuencia, Radiación infrarroja y luz visible
Las radiaciones ionizantes son fotones o partículas emitidas
por elementos radioactivos o en procesos atómicos que
poseen energía suficiente como para ionizar átomos o
moléculas.
• Rayos cósmicos: Partículas de alta energía (alfa, beta, etc.)
• Radiación (gamma): Son fotones usualmente de muy alta
energía, emitidos por núcleos inestables u otros procesos.
El núcleo no cambia su identidad sino que únicamente
pierde energía. La radiación gamma es muy penetrante y
únicamente un espesor importante de plomo u hormigón la
detiene.
• Rayos X: Son fotones de alta energía que se producen
cuando los electrones atómicos cambian de órbita o cuando
inciden electrones sobre un material y son frenados.
Radiación Térmica
Mecanismo de transferencia de calor en el cual la energía se
emite por la superficie de un cuerpo en forma de radiación
electromagnética por el hecho de estar dicha superficie a
temperatura superior a 0ºK.
Cómo se produce el transporte
La radiación electromagnética (ondas y/o corpúsculos)
transportan la energía en todas direcciones desde la
superficie emisora. Cuando la radiación alcanza otro cuerpo,
parte puede ser absorbida, parte reflejada y parte puede ser
transmitida. La parte que es absorbida aparece en forma de
calor en el cuerpo absorbente. El transporte no requiere
presencia de materia.
Radiación Térmica
Dónde domina el mecanismo de radiación
La radiación siempre está presente entre cuerpos materiales,
estableciéndose un intercambio radiactivo entre los cuerpos.
El intercambio radiactivo es el mecanismo predominante
cuando la diferencia de temperaturas es elevada
La radiación es una forma de intercambio de energía
completamente diferente a la conducción y convección.
R. Alfa
R. Beta
R. Equis
R. Gamma
La radiación es: la energía emitida por la materia en
forma de ondas electromagnéticas (o fotones), como
°
resultado de los cambios en las configuraciones
electrónicas de los átomos o moléculas.
La razón máxima de la radiación que se puede emitir
desde una superficie a una temperatura
termodinámica Ts es expresada por la ley de Stefan-
Boltzmann como:
Qemitido máx = σAs(Ts⁴ - Trec⁴)
Donde:
σ = 5.67 x 10 W/m² · K⁴ o 0.1714 x 10 Btu/h · ft² · R⁴ (es la

constante Stefan-Boltzmann).
Cuando una superficie de emisividad Ɛ y área superficial As,
a una temperatura termodinámica Ts, está por completo encerrada
por una superficie mucho más grande (o negra), a una
temperatura termodinámica Talred, separada por un gas (como el
aire) que no interfiere con la radiación, la razón neta de la
transferencia de calor por radiación entre estas dos superficies
se da por:
Qrad = ƐσAs(Ts⁴ - Taire⁴ )
En este caso, la emisividad y el área superficial de la superficie
circundante no tienen efecto sobre la transferencia neta de calor
por radiación.
La razón a la cual una superficie absorbe radiación se determina
a partir de Qabsorbido = αQincidente en donde Qincidente es
la razón a la cual la radiación incide sobre la superficie y α es la
absortividad de esta última.
La potencia emisiva e irradiación de la superficie
La potencia emisiva de la superficie:

La potencia emisiva de la superficie se evalúa a partir de la
siguiente ecuación:
E = ƐσTs⁴
La potencia de la irradiación de la superficie:

La potencia emisiva de irradiación se evalúa a partir de la
siguiente ecuación:
G = σTaire⁴
EJERCICIO 1
Una tubería de vapor sin aislamiento pasa a través de un cuarto en que el aire
y las Paredes están a 25ºC. El diámetro exterior de la tubería es 70 mm. Y la
Temperatura Superficial y emisivilidad son 200ºC y 0.8, respectivamente.
¿Cuánto vale la potencia emisiva de la superficie y la irradiación? Si el
coeficiente asociado con la transferencia de calor por convección libre de la
superficie al aire es 15 W/m².ºK, ¿Cuál es la Velocidad de perdida de calor de
la superficie por unidad de longitud de la tubería?
Solución:
Se conoce que:
-Tubería sin aislamiento h = 15W/m².ºK Taire = 25ºC
-Emisibilidad q
Aire
-Temperatura Superficial
-Cuarto con temperatura fija de pared
y aire. Ti
-8
-Ley de Stefan σ = 5.67x10 W/m² · K⁴
E
Se pide:
a).- Potencia emitiva e Irradiación Ts = 200ºC
de la superficie. D = 70 mm. G Ts < Ti

b).- Perdida de calor de la tubería por
Unidad de longitud.
a) Hallando la potencia emisiva e irradiación de la superficie:
La potencia emisiva de la superficie se evalúa a partir de la siguiente ecuación:
E = ƐσTs⁴
Mientras la irradiación corresponde a:
G = σTaire⁴
Reemplazando:
E = 2270 W/m²
G = 447 W/m²
b).- Hallando la perdida de calor de la tubería por unidad de longitud:
La perdida de calor de la tubería es por convección con el aire del cuarto y por
Intercambio de radiación con las paredes. Por lo tanto la ecuación será:
qº = q/L
q = qconv + qrad = h(ΠDL)(Ts – T ͚) + Ɛ(ΠDL) σ(Ts⁴ + Taire⁴).
La perdida de calor por unidad de longitud será:
8
qº = (15W/m²k)(3,1416)(0,07m)(200-25)k
4 4
+ 0,8(3,1416)(0,07m)5.67x10¯ W/m²k 4
4
(473-298)k = 577W/m + 421W/m = 998 W/m.
qº = 998 W/m
k
Btu/ft²hrºF
0.17
4.2
320

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Unidad I

Transferencia de Calor por radiación. Transferencia de calor

Qemitido máx = σAs(Ts⁴ - Trec⁴)

σ = 5.67 x 10 W/m² · K⁴ o 0.1714 x 10 Btu/h · ft² · R⁴ (es la

La potencia emisiva de la superficie:

La potencia de la irradiación de la superficie:

de la superficie. D = 70 mm. G Ts < Ti

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