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TRANSFERENCIA DE CALOR TERMOGRAFÍA

UNIVERSIDAD DEL NORTE DIVISIÓN DE INGENIERÍAS DPTO DE FÍSICA

Andrés Cristancho M. Luis Yepes. Hans Van Strahlen.

2010


TRANSFERENCIA DE CALOR. Existen tres formas de trasferencia de calor o trasferencia de energía, transferencia por convección, conducción y por radiación.

Transferencia de calor por radiación. La radiación es la trasferencia de calor por medio de ondas electromagnéticas, por ejemplo la luz infrarroja, radiación ultravioleta y luz visible. Las formas de trasferencia de calor por radiación más comunes son el calor que recibimos del sol y el calor que sentimos alrededor de una fogata, la energía recibida por estos sistemas no nos llegan por convección, ni conducción sino por radiación. Se puede sentir el calor el cuerpo frente a esta fuente de calor, la fogata, no por convección ni por conducción sino por radiación porque el aire calentado asciende, y a demás el aire es mal conductor. El material que está ardiendo emite radiación visible, pero casi todo el efecto de calentamiento proviene de la radiación infrarroja invisible para los ojos humanos. Esta radiación se siente debido a que las moléculas de agua de la piel la absorben. Los tejidos del cuerpo contienen por los menos un 85% de agua. Otro factor influyente es que las moléculas de agua tiene una vibración interna con una frecuencia de oscilación que coincide con la frecuencia de oscilación de las ondas electromagnéticas infrarrojas, por esto la radiación se absorbe fácilmente. Este fenómeno se llama absorción por resonancia, donde la onda electromagnética impulsa la vibración molecular, y se transfiere energía a la molécula de forma parecida a cuando se empuja un columpio. Todo los cuerpos, a temperaturas por encima de los , emiten energía en forma de radiación electromagnética. A temperaturas cerca de los , casi toda la energía se transporta por medio de ondas infrarrojas con longitudes mucho mayores que las de luz visible. Cuando se aumenta la temperatura, las longitudes de ondas se vuelven más pequeñas. Un cuerpo a emite la suficiente radiación visible como para convertirse en un objeto luminoso y verse “al rojo vivo”, a esta temperatura la mayor parte de la energía se trasporta en ondas infrarrojas. A Un cuerpo se verá al “rojo blanco”. La razón de radiación de energía de una superficie es proporcional a su área , y se ha comprobado que la rapidez con que un objeto irradia energía, es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (Kelvin) del objeto. Esta expresión se reduce a una ecuación propuesta por Stefan Boltzmann:

La razón también depende de las propiedades de la superficie, esta dependencia se representa con una cantidad llamada emisividad, es un número adimensional entre y que representa la


relación entre la radiación de una superficie dada, y la de un área igual de una superficie radiante ideal a la misma temperatura. Es la contante de Boltzmann, . Aunque la radiación infrarroja es invisible para el ojo humano, se puede detectar por otros medios. La frecuencia de la radiación infrarroja es proporcional a la temperatura de su fuente, esta relación es la base de los termómetros infrarrojos, que utilizando detectores de infrarrojo, pueden medir temperaturas a distancia. También existe cámaras que tiene una película sensible al infrarrojo, una imagen captada en esa película consiste en áreas claras y oscuras que contrastan, que corresponde a áreas de alta y bajas temperaturas, respectivamente. En la industria y el la medicina se usan equipos que funcionan con estas técnicas de termografías, las imágenes que suministran se llaman termogramas. Como se dijo anteriormente los materiales tienen una emisividad de 0 a 1, en las imágenes de termografías, las superficies luminosas tienes una emisividad cerca de cero. La emisividad de la piel humana está cercana a 0.7. Las superficies oscuras son las mejores emisoras de radiación infrarroja y además son buena absorbedoras. Es decir que para mantener una temperatura constante, la energía incidente emitida debe ser igual a la energía absorbida, en pocas palabras un buen emisor es un buen absorbedor. Se denomina un cuerpo absorbedor y emisor ideal, cuerpo negro, con una emisividad las superficies que se ven en los termogramas más radiantes o luminosas son malas absorbedoras, debido a que casi toda la radiación incidente se refleja.

Espectro electromagnético. Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro electromagnético o simplemente espectro a la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a una huella dactilar. Los espectros se pueden observar mediante espectroscopios que, además de permitir observar el espectro, permiten realizar medidas sobre éste, como la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación. El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio. Se cree que el límite para la longitud de onda más pequeña posible es la longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño del Universo aunque formalmente el espectro electromagnético es infinito y continuo.


Fíg. 1 Espectro electromagnético.

Cámara Termográfica. Las cámaras termográficas detectan la radiación infrarroja invisible que emiten los objetos y lo transforma en una imagen dentro del espectro visible en la que la escala de colores (o grises) refleja las distintas intensidades. En un principio las cámaras termográficas dan un valor de temperatura para cada punto, sin tener en cuenta que, para la misma temperatura, dos materiales pueden irradiar energía infrarroja con intensidades muy diferentes. Vemos aquí un ejemplo muy gráfico, una taza metálica con un celo que están a la misma temperatura, sin embargo el celo y el metal de la taza emiten energía infrarroja con intensidades muy diferentes.

Fíg. 2. Difernecia de emisividad del metal y la cinta adhesiva.


Aplicaciones de las cámaras termográficas. Inspecciones infrarrojas. La termografía infrarroja permite localizar e identificar problemas invisibles al ojo humano. Las diferencias de temperaturas se muestran en una escala de grises o color. Las imágenes termográficas tienen aplicaciones en numerosos campos: Inspecciones de eficiencia energética de construcciones Pérdidas de energía Fallos de aislamiento Mantenimiento predictivo y preventivo Inspecciones mecánicas Monitorización de procesos Inspección de azoteas, humedades en paredes Termografía de equinos Inspecciones de eficiencia energética. Una inspección (o auditoría energética) de un edificio analiza numerosos aspectos relativos a la construcción. Idealmente esta inspección debería hacerse en una construcción recién terminada o al menos en el período de garantía a cargo del promotor. La auditoría energética señala los problemas de índole energética debidos a fallos de diseño, construcción o materiales, entre otras cosas; Localización de fugas térmicas Sobrecarga de circuitos eléctricos Localización de aislamientos térmicos mal instalados, dañados o húmedos. Monitorización de procesos. Las cámaras termográficas detectan problemas en equipos y procesos. Compresores Bombas Seguimiento de la temperatura de procesos Sistemas frigoríficos Hornos y procesos de calentamiento Obturación y fugas en conducciones Niveles de tanques Perfiles térmicos Inspecciones mecánicas. Detección de problemas de fluidos, aislamiento, maquinaria rotativa y transmisión de potencia Fallos de alineamiento o acoplamiento Minimización de tiempo fuera de servicio Detección de conexiones eléctricas defectuosas, sobrecargadas o desequilibradas Inspecciones eléctricas. Detección de malas conexiones, sobrecargas, cortocircuitos y desequilibrios


Localización de problemas sin interrupción del servicio Minimización del tiempo necesario para las reparaciones puesto que los problemas se diagnostican de forma concisa Reducción de fallos de suministro imprevistos Termografía de subestaciones Revisión de cientos de conexiones de forma muy rápida Mantenimiento preventivo y predictivo. Una gran cantidad de problemas en equipos industriales se manifiestan por medio de una huella térmica fuera de lo normal antes de que se manifieste el fallo. La localización de estos puntos calientes mediante una cámara termográfica permite anticiparse al fallo.

Ejemplo - Inspección termográfica de un cuadro de fusibles

Inspección termográfica. Inspección visual.

Despues de cambiar el fusible central.


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