¿Qué es un Sistema
Térmico?
Los sistemas térmicos son aquellos
procesos donde están involucrado el almacenamiento y la transferencia de calor.
Cuando un objeto material almacena
calor este se manifiesta como una temperatura más alta con relación a otro
objeto. Por ejemplo, un pedazo de metal caliente tiene más calor almacenado que
un pedazo de metal a temperatura ambiente.
El calor fluye entre los objetos mediante uno de tres mecanismos: conducción, convección (o transferencia de masa) y radiación.
La transferencia de calor por
conducción ocurre cuando existe una diferencia de temperatura a través de un
objeto. Por ejemplo, el flujo de calor que ocurre a través de la pared de una
casa cuando la temperatura al interior de esta es más alta (o más baja) que la
temperatura del exterior.
La transferencia de calor por
convección implica el flujo de calor a través de un medio líquido o gaseoso,
como cuando un ventilador sopla aire frío a través de un objeto caliente; el aire
se lleva parte del calor del objeto.
Transferencia de calor por radiación,
como transferencia conductiva, es causado por una diferencia de temperatura
entre objetos, no requiere un medio físico para el flujo de calor (es decir, el
calor radiactivo puede fluir a través del vacío). Está ejemplificado por la
transferencia de calor del sol a la tierra.
Considerando la aproximación de que la temperatura de un cuerpo es uniforme en todo él, se pueden estudiar infinidad de sistemas térmicos cuyas ecuaciones diferenciales sean lineales. Un ejemplo clásico y que sirve de base a cualquier sistema de este tipo es el intercambiador de calor.
Se trata de un tanque con agua a una
temperatura Tt aislada térmicamente del exterior,
con una entrada de agua fría y una salida de agua caliente a temperaturas Tf y Tc,
respectivamente. En la caldera el agua se calienta mediante un elemento
calefactor, y se supone que el agua de la caldera está perfectamente mezclada y
por ello la temperatura de la misma es uniforme.
La ley de la conservación de la energía
establece que la energía introducida en el sistema (Qf + Qr)
ha de ser igual a la almacenada (Qa) más las pérdidas (Qc + Qp),
que matemáticamente se expresa:
donde Qr es
el flujo de calor aportado por el calentador, Qa el
absorbido por el agua del tanque, Qc y Qf los
correspondientes al agua caliente y fría que sale y entra a la caldera,
respectivamente, y Qp el flujo de calor que se
pierde a través del aislamiento.
Teniendo en cuenta las conocidas relaciones de Termotecnia:
|
(3.3) |
donde C = MH es
la capacidad térmica del agua del tanque, M la masa de
agua, H el calor específico del agua, V el
flujo de agua caliente que sale del tanque (que en este ejemplo coincide con el
flujo de agua fría que entra a dicho tanque) y R la
resistencia térmica del aislamiento (constante cuando la transmisión de calor
se realiza por conducción o convección).
Sustituyendo las ecuaciones 3.3 en 3.2 y teniendo en
cuenta que en este ejemplo concreto V = cte y Te = Tf (es
decir, la temperatura del agua que entra al tanque es igual a la temperatura en
el exterior), se tiene:
|
(3.4) |
siendo Tu = Tt -Te la
temperatura del agua de la caldera referida a la temperatura exterior. Dicha
ecuación diferencial refleja la dinámica del sistema térmico descrito.
Modelos Térmicos
Vamos a ver el modelado térmico de un proceso, el cual vamos
posteriormente modificar o controlar su temperatura.
Existen diversos procesos térmicos que podríamos analizar, a
continuación, vemos varios ejemplos de sistemas térmicos: horno, duchas,
refrigeradores o calentamiento de calderas.
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