Divulgación Flujo de calor a traves de una pared

[davidgruty]

Buenas a todos.

Primeramente presentarme, este es mi primer mensaje en el foro.

Soy ingeniero tecnico industrial y siempre me ha llamado la atencion las matematicas y la fisica (ya desde antes de "el mundo de Beakman" ) Siempre me ha gustado entender el porque de las cosas.

He tenido una reciente discusion sobre un tema de termodinamica, por flujos de calor a traves de paredes y enfriamiento.

Resulta que tenemos una pared de 25 milimetros de un material de espuma aislante, con buenas propiedades de aislamiento (0,03 W/mºC.)

En un lado de esta pared tenemos temperatura ambiente (digamos 25ºC) y del otro (interior) queremos -25ºC, asi que un salgo de 50.

Con estos datos puedo saber los Watios que pasan por metro cuadrado.

Para alcanzar los -25ºC en el interior de la pared se refrigera por ese lado con Nitrogeno (N2) entre dos paredes de 1 mm de Aluminio cada una (una esta pegada al material aislante)

Primera pregunta: A mi entender esta pared es muy delgada para un salto de esta cantidad. Entiendo que para mantener una temperatura constante de -25ºC en el interior depende de la longitud del circuito de Nitrogeno, ya que segun el calor que pase a traves de la pared va a "calentar" el Nitrogeno provocando una diferencia de temperatura entre la entrada y salida del circuito de Nitrogeno, dificultando el mantener los -25ºC. ¿es esto correcto?

Segunda: La parte exterior de la pared. Se va a enfriar debido al refrigerante interior? Entiendo que esto depende del espesor. Aqui hay algo que se me escapa. ¿depende de la "potencia" del refrigerante para mantener la pared exterior a temperatura ambiente?

Y tercera: Me han dicho que en concreto con el Nitrogeno, si lo aplico en una cara de una mesa (por ejemplo) la otra cara no se entera. Quiero decir que la temperatura sigue igual. Yo entiendo que habra un gradiente constante a lo largo de la mesa (en caso de un solo material). Es esto una particularidad del Nitrogeno?

Muchas gracias, Saludos!

[Sartie]

Re: Flujo de calor a traves de una pared

Primera pregunta: A mi entender esta pared es muy delgada para un salto de esta cantidad. Entiendo que para mantener una temperatura constante de -25ºC en el interior depende de la longitud del circuito de Nitrogeno, ya que segun el calor que pase a traves de la pared va a "calentar" el Nitrogeno provocando una diferencia de temperatura entre la entrada y salida del circuito de Nitrogeno, dificultando el mantener los -25ºC. ¿es esto correcto?

Bueno el nitrogeno esta a unos 77Kelvin, es decir, cerca de -200ºC asi que se tiene que calentar al pasar por la pared para mantener esa temperatura, pero depende mucho de la longitud del recorrido del nitrogeno por la pared. Lo normal es que incluso antes pongais un serpentin para que se caliente antes de llegar a la pared o si no llegara a una temperatura menor que -25ºC.
Una vez que este en contacto con el aluminio este tendera a termalizarse en toda la superficie pues conduce muy bien el calor.

Segunda: La parte exterior de la pared. Se va a enfriar debido al refrigerante interior? Entiendo que esto depende del espesor. Aqui hay algo que se me escapa. ¿depende de la "potencia" del refrigerante para mantener la pared exterior a temperatura ambiente?

Si la pared es de 1mm si que se enfriara. Pero para que no se enfriara deberias poner un aislante. Una cosa que se hace en los vasos de Dewar o en los criostatos es poner una camisa de vacio entre el recipiente de metal que contiene al nitrogeno y el exterior. Este vacio impide la trasferencia de calor mediente conveccion.
Normalmente en un criostato las paredes son de aluminio y algo mas gruesas que 1mm y se hace esto porque la parte exterior se queda a muy baja temperatura.

Y tercera: Me han dicho que en concreto con el Nitrogeno, si lo aplico en una cara de una mesa (por ejemplo) la otra cara no se entera. Quiero decir que la temperatura sigue igual. Yo entiendo que habra un gradiente constante a lo largo de la mesa (en caso de un solo material). Es esto una particularidad del Nitrogeno?

Muchas gracias, Saludos!

Depende de que este hecha la mesa. Si la mesa es de madera o de plastico pues la otra cara ni se entera, pero si es metalica si que se entera. Depende de si dejas que la mesa se termalice o no, porque si es poco tiempo no pasa nada. Por ejemplo, yo he metido la mano dentro de nitrogeno liquido y no me ha pasado nada, ¿porque? por que solo fue un chapoteo, no estuve ni medio segundo.

[carroza]

Re: Flujo de calor a traves de una pared

Bienvenido.

Primera pregunta: A mi entender esta pared es muy delgada para un salto de esta cantidad. Entiendo que para mantener una temperatura constante de -25ºC en el interior depende de la longitud del circuito de Nitrogeno, ya que segun el calor que pase a traves de la pared va a "calentar" el Nitrogeno provocando una diferencia de temperatura entre la entrada y salida del circuito de Nitrogeno, dificultando el mantener los -25ºC. ¿es esto correcto?

Enfriar a -25 C con nitrógeno no es difícil. Todo depende del flujo de nitrógeno, no tanto del espesor de la pared. Si mantienes el nitrógeno en equilibrio entre líquido y gas, su temperatura será de -195 C, constante.

Segunda: La parte exterior de la pared. Se va a enfriar debido al refrigerante interior? Entiendo que esto depende del espesor. Aqui hay algo que se me escapa. ¿depende de la "potencia" del refrigerante para mantener la pared exterior a temperatura ambiente?

La pared exterior se enfría, y si estuviera aislada (en vacío), bajaría su temperatura. No obstante, la pared exterior esta, aproximadamente, en equilibrio con el ambiente, ya que fuera puede haber circulacion de aire, que hace homogénea la temperatura.
Hay un flujo constante de calor a través del aislante, que debe ser compensado por el refrigerante.

Y tercera: Me han dicho que en concreto con el Nitrogeno, si lo aplico en una cara de una mesa (por ejemplo) la otra cara no se entera. Quiero decir que la temperatura sigue igual. Yo entiendo que habra un gradiente constante a lo largo de la mesa (en caso de un solo material). Es esto una particularidad del Nitrogeno?

Las propiedades de conducción del calor dependen del material intermedio (la mesa en tu caso) y de la diferencia de temperatura. Da igual que el material a los lados del material intermedio sea Nitrógeno o cualquier otra cosa, siempre que la temperatura sea constante.

[davidgruty]

Re: Flujo de calor a traves de una pared

Buenas a todos,

Aqui vengo con la respuesta (y agradecimiento) a las vuestras, despues de un tiempo (no active la notificacion)

Habeis metido la mano en nitrogeno?? Suena impresionante, pero me ayuda a entender mejor este tema.

Adjunto una imagen (que vale mas que mil palabras) del problema que trato.

De arriba a abajo se ve que tenemos la temperatura ambiente, 25 mm del aislante y luego las dos laminas de aluminio (de 1 mm cada una) dejando en medio 3 mm de "hueco" por donde se mete el nitrogeno.

Y ya abajo de todo el area (cerrada, aunque aqui no lo parezca) que debe permanecer a los -25ºC.

El nitrogeno no tiene por que ser liquido, se hace entrar a -25º.

Mi duda es sobre cuan factible es esto; como hay que mantener la temperatura interior constante a los -25º, al ser el salto de unos 50º con tan solo 25 mm de aislante.

El circuito por donde pasa el nitrogeno es grande. Entonces entiendo que la temperatura de salida del nitrogeno va a ser muy diferente comparada con la de entrada.

El tiempo no es un problema, hay que esperar que todo se homogeneice.

Otra pregunta que me gustaria hacer es como afecta la velocidad del nitrogeno en el conjunto.

Paneles de vacio es una opcion que tambien estoy estudiando, pero son mas complejos, caros y mas mantenimiento mas tade.

Gracias mil!

Saludso