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METODOS DE TRANSMISIÓN DE CALOR

La segunda ley de la termodinámica, que se presentó antes, dice que el calor pasa sólo en una dirección, que es de la mayor temperatura (intensidad) a la menor temperatura (intensidad.  Este paso se lleva a cabo mediante uno o más de los siguientes métodos básicos:

1.    Conducción
2.    Convección
3.    Radiación

Ver Video Transferencia de calor.
CONDUCCIÓN

Se define la conducción como el paso de calor entre las moléculas vecinas de una sustancia, o entre sustancias que se tocan y tienen buen contacto entre sí.  Cuando se lleva a cabo el paso de calor dentro de una sola sustancia, como por ejemplo en una varilla metálica con un extremo en una flama, el movimiento térmico continúa hasta que hay un equilibrio de temperatura a lo largo de la varilla.

Si la varilla se sumerge en agua, las moléculas en movimiento rápido, en la superficie de ésta transmitirán algo de su calor a las moléculas del agua, y es así que se llevará a cabo otra transferencia de calor mediante conducción.  A medida que se enfría la superficie exterior de la varilla, habrá todavía algo de calor dentro de ella, y continuará pasando hacia la superficie externa y de ahí al agua, hasta que se alcance un equilibrio de temperatura.

La rapidez a la que pasa el calor por conducción varía en las diferentes sustancias o materiales, si son de las mismas dimensiones.  La rapidez de paso de calor varía de acuerdo con la capacidad del material o la sustancia de conducir el calor.  En general, los sólidos son mucho mejores conductores que los líquidos; a su vez, los líquidos conducen el calor mejor que los gases o vapores.

La mayor parte de los metales, como plata, cobre, acero y hierro, conducen el calor con bastante rapidez.  En cambio otros sólidos, como el vidrio, la madera u otros materiales de construcción, conducen el calor a mucha menos rapidez y por lo tanto se emplean como aisladores.

El cobre es un excelente conductor de calor, al igual que el aluminio.  Esas sustancias se usan en general para fabricar condensadores, evaporadores y tubos de refrigerante que conectan los diversos componentes de un sistema de refrigeración, aunque a veces se usa el hierro con determinados refrigerantes.
La rapidez a la cual se conduce el calor a través de una sustancia depende de factores tales como 1) el espesor del material, 2) el área de su sección transversal, 3) la diferencia de temperatura entre los dos lados del material, 4) la conductividad térmica (factor k) del material, y 5) la duración del flujo de calor.  La figura 1es una tabla de conductividad térmicas (factores k) de algunos materiales comunes.

Nota:  Los factores k están dados en Btu/hr-pie2-ºF/pulg de espesor del material.  Esos factores se usan en forma adecuada con la siguiente ecuación:

                    Btu = A  X   K  X  AT
                           
                                         X
Siendo     
                    A = área de la sección transversal, pies2
                    K = conductividad térmica, Btu/-pie2-ºF/pulg
                   AT =  diferencia de temperatura entre los dos lados, ºF
                   X =  espesor del material, pulgadas

Conductividades térmicas de materiales comunes de construcción y aislamiento.  Los valores k están expresados en Btu/hr pie2 ºF/pulgada de espesor del material.

Material                                                                                     Conductividad
                                                                                                               k               

Triplay                                                                                             0.80
Fibra de vidrio, aglomerante orgánico                                             0.25      
Aislamiento de poli estireno expandido                                           0.25            
Aislamiento de poliuretano expandido                                            0.16             
Mortero                                                                                            5.0
Estuco                                                                                              5.0
Ladrillo común                                                                                  5.0
Maderas duras (arce, encino)                                                         1.10
Yeso con agregado de arena                                                          0.80
Maderas blandas (abeto, pino)                                                          5.6

Los metales que tienen alta conductividad se usan en el sistema de refrigeración porque se desea que la transferencia de calor sea rápida tanto en el evaporador como en el condensador.

 El evaporador es el lugar donde se elimina el vapor del espacio o sustancia acondicionado, y el condensador disipa ese calor a otro medio o ambiente.
En el caso del evaporador, el producto o aire se encuentra a una mayor temperatura que la del refrigerante dentro del tubo, y hay paso de calor hacia la temperatura más baja; Mientras que en el condensador, el vapor de refrigerante está mayor temperatura que el medio de enfriamiento que pasa a través de, o alrededor del condensador, y en este caso de nuevo el calor pasa hacia la temperatura menor.

El tubo sencillo, sea de cobre, aluminio u otro metal, transportará el calor según su conductividad, o factor k; pero este paso de calor se puede aumentar por adición de aletas al tubo. Estas aletas aumentan el área de transferencia de calor y con ello aumentan la eficiencia general del sistema.

CONVECCION

Otro método de transmisión de calor es por el movimiento del material mismo y se limita a los líquidos o a los gases.  Cuando se calienta un material, se establecen en su interior corrientes de convección y las partes más calientes suben, ya que el calor provoca la disminución de la densidad de los fluidos, o lo que es lo mismo, aumentan su                           
Volumen específico.

Los principales ejemplos del resultado de las corrientes de convección son el aire en el interior de un refrigerador , o el agua, cuando se calienta en una palangana.  El aire en contacto con el serpentín de enfriamiento de un refrigerador sé

Enfría y por lo tanto aumenta su densidad, y comienza a descender hacia el fondo del refrigerador.  Al hacerlo, absorbe calor del alimento y las paredes del refrigerador, las cuales, mediante conducción, han recogido calor del recinto.
       
Después de haber absorbido calor, el aire se expande, se hace más liviano y sube hasta que de nuevo alcanza al serpentín de enfriamiento, donde cede su calor.  El ciclo de convección se repite mientras haya diferencia de temperaturas entre el aire y el serpentín.

En las unidades comerciales, se pueden poner mamparas dentro de la caja para que se dirijan las corrientes de convección y tomen los patrones que se deseen de flujo de aire alrededor del serpentín.
 
El agua que se calienta en una bandeja estará bajo la acción de las corrientes de combustión que se desarrollan por la aplicación del calor.  El agua que esté más cercana a la fuente de calor, al absorber calor, se calienta y se expande.  Como se hace menos densa, sube y la remplaza la demás agua, que está más fría y es más densa.  Este proceso continuará hasta que toda el agua quede a la misma temperatura.

Las corrientes de convección, de acuerdo a lo que se describió y a lo que se habla en este libro, son naturales (pasivas.  Como en el caso del refrigerador, un flujo natural (pasivo) es lento.  En algunos casos, la convección se debe aumentar empleando ventiladores o sopladores y, en el caso de líquidos, se usan bombas para tener circulación forzada (activa) para transmitir calor de un lugar a otro.

RADIACION

Un tercer método de transmisión de calor es mediante radiación, por medio de ondas semejantes a las de la luz o del sonido.  Los rayos de sol calientan la Tierra por ser ondas caloríficas radiantes, que viajan en línea recta sin calentar el espacio o el aire intermedios.  El calor de un foco eléctrico, o de una estufa caliente es de naturaleza radiante y lo sienten quienes están próximos, aunque no se caliente el aire entre la fuente y el objeto, a pesar de que los rayos pasen a través de él.

Si el lector se ha sentado a descansar bajo la sombra de un árbol o de una construcción en un día caluroso de verano, y pasa a la luz solar directa, el impacto directo de las ondas de calor le llegará como un mazazo, aun cuando la temperatura del aire a la sombra sea aproximadamente igual a  la del aire bajo los rayos del sol.

A bajas temperaturas sólo hay una pequeña cantidad de radiación, y sólo se manejan pequeñas diferencias de temperatura; por lo tanto, la radiación tiene muy poco efecto en el proceso real de la refrigeración misma.  Pero los resultados de la radiación debido a los rayos solares directos puede ocasionar una mayor carga de refrigeración en una construcción, al estar expuesta a la trayectoria de esos rayos.

El calor radiante lo absorben los materiales oscuros u opacos, mientras que las superficies de colores claros reflejan las ondas de calor radiante, al igual que lo hacen con los rayos luminosos.  Los diseñadores y los fabricantes de ropa hacen uso de este hecho bien conocido y durante el verano ponen a la venta vestidos de materiales de colores claros.

Este principio también se emplea en el campo de acondicionamiento  de aire durante el verano, cuando los techos y paredes tienen colores claros, y los rayos del sol penetran menos en el recinto acondicionado y con ello se reduce el equipo general de enfriamiento que se necesita.
También, el calor radiante penetra con facilidad en el vidrio transparente de las ventanas, pero será absorbido por el vidrio traslúcido u opaco.

Cuando el calor o la energía radiante (ya que todo calor es energía) es absorbido por un material o sustancia, se convierte en calor sensible, que es el que se puede sentir o medir.  Todo cuerpo o sustancia absorbe hasta cierto punto energía radiante, dependiendo de la diferencia de temperaturas entre dicho cuerpo y las demás sustancias.  Toda sustancia radia energía siempre que su temperatura sea mayor que la del cero absoluto, y que otra sustancia cerca de ella esté a una temperatura menor.

Si un automóvil se ha dejado bajo los rayos del sol, con las ventanillas cerradas, durante bastante tiempo, la temperatura dentro del mismo será mucho mayor que la del aire ambiente que lo rodea.  Esto demuestra que la energía radiante que absorbe los materiales de los que está formado el automóvil se convierte en calor sensible, que se puede medir.


AISLAMIENTO  

Determinadas sustancias son excelentes conductoras del calor, mientras que otras son malas conductoras, y a éstas se les llama aisladoras.  Por lo tanto, cualquiera material que estorba o ayuda a evitar el paso de calor por cualquier mecanismo se llama, y se puede usar como, aislamiento.  Por supuesto que ningún material detendrá por completo el flujo de calor.  Si hubiera dicha sustancia, sería muy difícil enfriar un espacio dado hasta la temperatura deseada y conservarla así.

Sustancias como el cocho, fibra de vidrio, lana mineral y espumas de poliuretano son buenos ejemplos de materiales aislantes; Pero hay muchas otras sustancias que se usan para aislar recintos o construcciones refrigerados.  Los materiales comprensibles, como por ejemplo las sustancias fibrosas, dan mejor aislamiento si se instalan flojas o en forma de colchoneta, que si se instalan comprimidas o bien empacadas.
 
La conductividad térmica de los materiales (valor k), la temperatura que se debe mantener en el espacio refrigerado, la temperatura ambiente que rodea al recinto, los espesores permisibles de pared y el costo de los diversos tipos de aislamiento, son todos ellos puntos que se deben considerar al seleccionar el material adecuado para un proyecto dado.

La mayor parte del personal de servicio no interviene en la selección o instalación de material aislante en una instalación de refrigeración, pero muchas personas manejan diversos tipos de aislamiento y bajo diversas condiciones.

El asilamiento debe ser resistente al fuego y a la humedad, y también a prueba de plagas.  Las cajas grandes refrigeradas, o los enfriadores del tipo de cuartos fríos, normalmente se aíslan con material rígido, como por ejemplo cartón de corcho, fibra de vidrio, bloques de espuma, o cosas por el estilo.  Las cajas o receptáculos de menor tamaño podrían llenarse o aislarse con un aislador tipo espuma que fluye como líquido y se expande para llenar de espuma la cavidad que disponga.

Las cajas a baja temperatura necesitan un aislamiento que también sea resistente al vapor, como por ejemplo, espuma de unicel, si las paredes del recinto refrigerado no están hechas de metal en su exterior.  Con esa resistencia al vapor no penetrará éste con facilidad pasando por el aislamiento y condensándose allí, porque se reduciría la eficiencia de aislamiento.