INDICE Capitulo 1. Transferencia de Calor Elemental 1 1.1
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INDICE Capitulo 1. Transferencia de Calor Elemental 1.1. Introducción 1.2. La transferencia de calor y su relación con la termodinámica 1.3. Modos de transferencia de calor 1.3.1. Conducción del calor Ejemplos: 1.1. Transferencia de calor a través de un aislante 1.3.2. Radiación térmica Ejemplo: 1.2. Disipación de calor de un transistor 1.3.3. Convección del calor Ejemplo 1.3. Pérdida de calor a través de puertas de vidrio 1.4. Modos Combinados de Transferencia de Calor 1.4.1. Circuitos térmicos Ejemplo 1.4. Pérdida de calor a través de una pared compuesta 1.4.2. balances de energía superficiales Ejemplo: 1.5. Medición de la temperatura del aire 1.5. Respuesta Térmica Transitoria 1.5.1. Modelo de capacidad térmica global Ejemplo: 1.6. Templado de una placa de acero 1.5.2. Convección y radiación combinadas Ejemplo: 1.7. Templado de una esfera de aleación metálica 1.6. Intercambiadores de Calor 1.6.1. Intercambiadores de una y de dos corrientes 1.6.2. Análisis de un condensador Ejemplo 1.8. Funcionamiento de un condensador de vapor 1.6.3. Otros intercambiadores de una sola corriente 1.7. Dimensiones y unidades 1.8. Conclusión Ejercicios Capitulo 2. Conducción Estacionaria Unidimensional 2.1. Introducción 2.2. Ley de Fourier par la conducción del calor 2.3. Conducción a través de capas cilíndricas y esféricas 2.4. Aletas 2.5. Conclusión Capitulo 3. Conducción Multidimensional y no Estacionaria 3.1. Introducción 3.2. Ecuación de Conducción del Calor 3.2.1. Ley de Fourier en forma vectorial 3.2.2. Deducción de la ecuación de conducción del calor 3.2.3. Condición de contorno e iniciales 3.2.4. Métodos de solución 3.3. Conducción Estacionaria Multidimensional 3.3.1. Conducción estacionaria en una placa rectangular 3.3.2. Conducción estacionaria en un bloque rectangular 1 2 3 7 9 12 13 17 18 24 25 26 28 29 30 31 30 35 36 38 39 39 39 46 47 47 49 50 63 64 65 69 83 108 129 129 130 131 132 136 139 140 140 148 3.3.3. Factores de forma para la conducción 3.4. Conducción no Estacionaria 3.4.1. Placa con resistencia superficial despreciable 3.4.2. El sólido semiinfinito 3.4.3. Enfriamiento por convección de placas, cilindros y esferas 3.4.4. Soluciones en forma de producto para la conducción no estacionaria multidimensional 3.5. Problemas de Contorno en Movimiento 3.5.1. Solidificación de una sustancia fundida 3.5.2. Ablación de fundido en régimen estacionario 3.6. Métodos de Solución Numérica 3.6.1. Método de diferencias finitas para la conducción estacionaria bidimensional 3.6.2. Métodos de diferencias finitas para la conducción unidimensional no estacionaria 3.6.3. Formulación de la capacitancia resistiva (RC) 3.6.4. Método de diferencias finitas para problemas de contorno en movimiento 3.7. Conclusión 4. Fundamento y Correlaciones de la Convección 4.1. Introducción 4.2. Fundamentos 4.2.1. Coeficiente de Transferencia de calor conectiva 4.2.2. Análisis dimensional 4.2.3. Correlación de datos experimentales 4.2.4. Evaluación de las propiedades de los fluidos 4.3. Convección Forzada 4.3.1. Flujo forzado a través de tubos y conductos Ejemplo 4.1. Flujo laminar de aceite Ejemplo 4.2. Flujo turbulento de aire 4.3.2. Flujos forzados externos Ejemplo 4.3. Pérdida de calor por el techo de una cabaña Ejemplo 4.4. Enfriamiento de una gota de aluminio fundido 4.4. Convención natural 4.4.1. Flujos naturales externos Ejemplo 4.5. Pérdida de calor del receptor central de una planta de energía solar Ejemplo 4.6. Pérdida de calor de una tubería de vapor 4.4.2. Flujos naturales internos Ejemplo 4.7. Pérdida de calor a través de un muro doble Ejemplo 4.8. Pérdida por convección de un colector solar de placa plana 4.4.3. Flujos mixtos forzados y naturales Ejemplo 4.9. Enfriamiento de un paquete electrónico Ejemplo 4.10. Pérdida de calor del techo de un taller 4.5. Haces de Tubos y Lechos Empacados 4.5.1. Flujo a través de haces de tubos Ejemplo 4.11. Calentador de aire de haz de tubos Ejemplo 4.12. Calentador de agua de haz de tubos 4.5.2. Flujo a través de un lecho compacto 151 154 155 163 175 187 191 192 196 201 202 210 219 227 231 253 254 254 255 261 273 278 280 280 288 290 292 303 303 305 306 311 312 313 318 319 320 326 327 328 328 331 333 336 Ejemplo 4.13. Almacén térmico de lecho de bolas Ejemplo 4.14. Intercambiador de calor de placas perforadas 4.6. Superficies Giratorias 4.6.1. Discos, esferas y cilindros giratorios Ejemplo 4.15. Pérdida de calor de una centrifugadora Ejemplo 4.16. Pérdida de calor de un eje 4.7. Superficies Rugosas 4.7.1. Efecto de la rugosidad de la superficie Ejemplo 4.17. Flujo de helio en un tubo rugoso Ejemplo 4.18. Flujo de aire sobre una placa desgastada por chorro de arena 4.8. El programa de computador CONV 4.9. Conclusión Referencias Ejercicios 5. Análisis de la Convección 5.1. Introducción 5.2. Flujos de alta velocidad 5.2.1. Modelo para el flujo de Couette 5.2.2. Concepto de factor de recuperación Ejemplo 5.1. Temperatura del rotor de un helicóptero 5.3. Flujo Laminar dentro de un Tubo 5.3.1. Transferencia de cantidad de movimiento en el flujo hidrodinámico totalmente desarrollado 5.3.2. Transferencia de calor totalmente desarrollados para una pared sometida a flujo de calor uniforme por unidad de área 5.4. Capas Límites Laminares 5.4.1. Ecuaciones diferenciales de un flujo forzado a largo de una placa plana 5.4.2. Modelo de flujo bala 5.4.3. Método de solución integral Ejemplo 5.3. Placa con una longitud inicial no calentada 5.4.4. Soluciones autosemejantes 5.4.5. Convención natural sobre una pared vertical isotérmica Ejemplo 5.4. Capa límite de convención natural en agua 5.5. Flujos Turbulentos 5.5.1. Modelo de la longitud de mezcla de Prandtl y modelo de la difusividad por remolinos 5.5.2. Flujo forzado a lo largo de una placa plana 5.5.3. Flujo en un tubo Ejemplo 5.6. Flujo turbulentos de agua en un tubo 5.5.4. Modelos de turbulencia más avanzados 5.6. Semejanza y Modelado 5.6.1. Ecuaciones y condiciones de contorno adimensionales 5.6.2. Modelado 5.7. Ecuaciones Generales de Conservación 5.7.1. Conservación de la masa 5.7.2. Conservación de la cantidad de movimiento 5.7.3. Conservación de la energia 339 341 342 342 343 345 345 346 351 352 355 356 364 367 385 386 387 387 392 393 395 396 399 405 406 409 410 418 420 429 433 435 437 439 453 460 461 462 462 467 468 469 471 475 5.7.4. Uso de las ecuaciones de conservación 5.8. Análisis de escala 5.8.1. Capas límite laminares de convección forzada 5.8.2. Capa límite laminar de convección natural sobre una pared vertical 5.9. Conclusión Referencias Ejercicios 6. Radiación Térmica 6.1. Introducción 6.2. Física de la radiación 6.2.1. Espectro electromagnético 6.2.2. Superficie negra 6.2.3. Superficiales reales 6.3. Intercambio de radiación entre superficies 6.3.1. Intercambio de radiación entre superficies negras Ejemplo 6.1. ganancia de calor de una pista de patinaje sobre hielo 6.3.2. Factores de forma y su álgebra Ejemplo 6.2. Determinación de factores de forma 6.3.3. Analogía de la red eléctrica para superficies negras Ejemplo 6.3. Pérdida de calor de un material fundido 6.3.4. Intercambio de radiación entre dos superficies grises difusas Ejemplo 6.4. Evaporación de una botella de Dewer criogénica 6.3.5. Intercambio de radiación entre varias superficies grises difusas Ejemplo 6.5. Transferencia radiante en un horno Ejemplo 6.6. Panel de calentamiento radiante 6.3.6. Transferencia de radiación a través de un conducto Ejemplo 6.7. Pérdida de calor a través de una grieta 6.4. Radiación Solar 6.4.1. Irradiación solar Ejemplo 6.8. Temperatura efectiva del sol 6.4.2. Radiación atmosférica Ejemplo 6.9. Cálculo de la emitancia y de la temperatura efectiva del cielo 6.4.3. Absortancia y transmitancia solares Ejemplo 6.10. Temperatura de la parte superior de un avión Ejemplo 6.11. Control de la temperatura de un vehículo espacial Ejemplo 6.12. Colector solar de placa plana 6.5. Características Direccionales de la Radiación de una Superficie 6.5.1. Intensidad de radiación y ley de Lambert Ejemplo 6.13. Cálculo de la irradiación a partir de la intensidad 6.5.2. Determinación de factores de forma Ejemplo 6.14. Factor de forma entre una superficie elemental y un disco Ejemplo 6.15. Facto r de forma entre superficies sobre una esfera 6.5.3. Propiedades direccionales de las superficies reales Ejemplo 6.16. Ganancia de calor de una tubería de nitrógeno líquido Ejemplo 6.17. Transmisión de radiación a través de la rejilla de ventilación de un vehículo espacial 6.6. Características Espectrales de la radiación de una superficie 6.6.1. La ley de Planck y las funciones fraccionarias 479 481 481 488 492 493 495 507 508 509 509 510 512 514 515 517 517 523 524 526 527 533 535 538 540 543 545 546 524 547 549 549 550 552 554 554 557 557 560 561 562 563 564 567 569 570 571 Ejemplo 6.18. Longitudes de onda de importancia práctica 6.6.2. Propiedades espectrales Ejemplo 6.19. Cálculo de la absortancia total de la pintura epóxica blanca Ejemplo 6.20. Transferencia de calor por radiación en el interior de un vehículo espacial 6.7. Transferencia de Radiación a través de Gases 6.7.1. Ecuación de transferencia 6.7.2. Propiedades radiantes de un gas Ejemplo 6.21. Propiedades totales de los productos de combustión del hidrógeno Ejemplo 6.22. Propiedades totales de los productos de combustión de un combustible a base de hidrocarburos 6.7.3. Longitudes de haz efectivas de un gas isotérmico Ejemplo 6.23. Longitud media de haz en un haz de tubos 6.7.4. Intercambio de radiación entre un gas isotérmico y un recinto negro Ejemplo 6.24. Cámara de combustión de queroseno 6.7.5. Intercambio de radiación entre un gas gris isotérmico y un recinto gris Ejemplo 6.25. Intercambio de radiación en el interior de un recinto de dos superficies que contiene un gas gris 6.7.6. Intercambio de radiación entre un gas isotérmico no gris y un recinto formado por una sola superficie gris Ejemplo 6.26. Cámara de combustión del reactor de un avión supersónico 6.8. Conclusión Referencias Ejercicios 7. Condensación, Evaporación y Ebullición 7.1. Introducción 7.2. Condensación en película 7.2.1. Condensación en película laminar sobre una pared vertical Ejemplo 7.1. Condensación del vapor en película laminar 7.2.2. Condensación en película laminar ondula toria y turbulenta sobre una pared vertical Ejemplo 7.2. Condensación del vapor en un tubo vertical largo 7.2.3. Condensación en película laminar sobre un tubo horizontal Ejemplo 7.3. Condensación de refrigerante – 12 sobre un solo tubo horizontal 7.2.4. Efectos de la velocidad y del sobrecalentamiento del vapor Ejemplo 7.4. Efecto del arrastre del vapor en la condensación de refrigerante - 12 Ejemplo 7.5. Efecto del sobrecalentamiento del vapor en la condensación del amoníaco 7.3. Evaporación en Película 7.3.1. Evaporación de una película descendente sobre una pared vertical Ejemplo 7.6. Evaporación desde una película descendente de agua 7.4. Ebullición en masa de líquido 7.4.1. Regímenes de ebullición en masa 571 573 578 579 580 581 582 588 589 591 593 595 596 597 599 600 601 604 605 606 623 624 625 626 633 635 640 642 644 647 653 654 655 655 658 659 660 7.4.2. Inicio de la ebullición Ejemplo 7.7. Grado de sobrecalentado necesario para el inicio de la ebullición en varios líquidos 7.4.3. Ebullición nucleada Ejemplo 7.8. Ebullición nucleada de agua sobre una superficie de cobre pulido 7.4.4. Flujo máximo de calor por unidades de área Ejemplo 7.9. Flujo máximo de calor por unidad de área para la ebullición en masa del agua 7.4.5. Ebullición en película Ejemplo 7.10. Ebullición en película de un líquido criogénico Ejemplo 7.11. Ebullición en película de agua sobre una placa horizontal 7.5. Ebullición y Condensación por Convección Forzada 7.5.1. Modelos de flujo de dos fases Ejemplo 7.12. Evaporador de agua de tubos verticales Ejemplo 7.13. Condensador de refrigerante – 12 de tubo horizontal 7.5.2. Caída de presión Ejemplo 7.14. Gradiente de presión en un evaporador de agua de tubos verticales Ejemplo 7.15. Gradiente de presión en un condensador de refrigerante – 12 de tubo horizontal 7.5.3. Ebullición por convección forzada interna Ejemplo 7.16. Transferencia de calor en un evaporador de agua de tubos verticales 7.5.4. Condensación por convección forzada interna Ejemplo 7.17. Transferencia de calor en un condensador de refrigerante – 12 de tubo horizontal 7.6. Cambio de fase a bajas presiones 7.6.1. Teoría cinética del cambio de fase Ejemplo 7.18. Velocidad máxima de evaporación 7.6.2. Resistencia interfacial a la transferencia de calor Ejemplo 7.19. Cálculo del coeficiente de trasferencia de calor interfacial 7.6.3. Análisis de Nusdsel con resistencia interfacial Ejemplo 7.20. Condensación del vapor en película laminar 7.6.4. Importancia de la resistencia interfacial para la ingeniería 7.7. Tubos de calor 7.7.1. Bombeo por capilaridad Ejemplo 7.21. Tubo de calor de amoníaco 7.7.2. Limitaciones sónicas, por arrastre y por ebullición 7.7.3. Tubos de calor con cargas gaseosa Ejemplo 7.22. Tubos de calor con agua gaseosa para una satélite de comunicaciones 7.8. Conclusión Referencias Ejercicios 8. Intercambiadores de Calor 8.1. Introducción 8.2. Tipos de intercambiadores de calor 8.2.1. Configuraciones geométricas de flujo 663 665 666 667 668 670 671 675 676 678 678 682 683 684 686 687 688 690 693 694 695 696 699 700 701 702 703 705 707 710 714 716 718 721 723 724 726 741 742 744 744 8.2.2. Comportamiento de la temperatura del fluido 8.2.3. Superficies de transferencia de calor 8.2.4. Intercambiadores de contacto directo 8.3. Balances de energía y del coeficiente global de transferencia de calor 8.3.1. Balances de energía del intercambiador Ejemplo 8.1. Suministro de agua para el enfriamiento del condensador de una turbina de vapor 8.3.2. Coeficientes globales de transferencia de calor Ejemplo 8.2. Coeficiente global de transferencia de calor de un condensador Ejemplo 8.3. Coeficiente global de transferencia de calor de un tubo con aletas 8.4. Intercambiadores de calor de flujo estacionario y una sola corriente 8.4.1. Análisis de un evaporador Ejemplo 8.4. Planta piloto de conversión de energía térmica oceánica de ciclo abierto 8.5. Intercambiadores de calor de flujo estacionario de dos corrientes 8.5.1. Diferencia de temperatura logarítmica media Ejemplo 8.5. Enfriador de benceno a contra corriente Ejemplo 8.6. Enfriador de aceite a contra corriente 8.5.2. Efectividad y número de unidades de transferencia Ejemplo 8.7. Enfriamiento de la corriente de productos de una columna de destilación Ejemplo 8.8. Diseño de un intercambiador de placas de flujo cruzado por el método E – Nut 8.5.3. Intercambiadores de flujo equilibrado Ejemplo 8.9. Recuperador para un sistema de aire acondicionado Ejemplo 8.10. Recuperador para una turbina de gas 8.5.4. Efecto de la conducción axial Ejemplo 8.11. Recuperador de tubos gemelos para un refrigerador de hidrógeno Ejemplo 8.12. Recuperador de placas perforadas para un refrigerador de hidrógeno 8.6. Regeneradores 8.6.1. Regeneradores de contra corriente equilibrada Ejemplo 8.13. Calentador de aire de lecho compacto Ejemplo 8.14. Máscara protectora para climas fríos 8.7. Elementos de diseño de intercambiadores de calor 8.7.1. Caída de presión en un intercambio Ejemplo 8.15. Caída de presión en un intercambiador multibular 8.7.2. Diseño termohidráulico de intercambiadores Ejemplo 8.16. Intercambiador de tubos gemelos con flujo laminar Ejemplo 8.17. Intercambiador de tubos gemelos con flujo turbulento Ejemplo 8.18. Intercambiador de flujo cruzada de placas y aletas 8.7.3. Selección de superficies para intercambiadores de calor compactos Ejemplo 8.19. Diseño de un intercambiador de placas y aletas de flujo cruzado 747 748 750 750 751 752 753 756 757 759 722 761 762 762 766 766 768 773 775 777 779 779 780 785 787 788 788 792 793 795 796 801 803 804 807 809 811 813 8.7.4. Análisis económico Ejemplo 8.20. Conservación de la energía en una fábrica de cerveza 8.7.5. Diseño de intercambiadores de calor asistido por computador: el programa HEX2 Ejemplo 8.21. Recuperador de placas y aletas de flujo cruzado equilibrado para un sistema de calefacción de aire Ejemplo 8.22. Análisis económico de un recuperador para un sistema de calefacción de aire 8.8. Conclusión Referencias Ejercicios Apéndices A. Propiedades Tabla A. 1a. Metales sólidos: punto de fusión y propiedades térmicas a 300 K Tabla A . 1b. Metales sólidos: variación de la capacidad calorífica específica con la temperatura Tabla A . 1c. Metales sólidos: variación de la capacidad calorífica específica con la temperatura Tabla A .2. Dieléctricos sólidos: Propiedades térmicas Tabla A .3. Aislantes y materiales de construcción: propiedades térmica Tabla A .4. Conductividad térmica de materiales seleccionados a temperaturas criogénicas Tabla A .5a. Emitancia hemisférica total de superficies a Ts = 300 K y absortancia solar extraterrestre Tabla A .5b. Variación de la emitancia hemisférica total de superficies seleccionadas con la temperatura Tabla A .6a. Absortancia espectral y absortancia total de algunos metales, incidencia normal Tabla A .6b. Absortancias espectrales a la temperatura ambiente y a un ángulo de incidencia de 25° respecto a la normal Tabla A .7. Gases: propiedades térmicas Tabla A .8. Líquidos dieléctricos: propiedades térmicas Tabla A .9. Metales líquidos: propiedades térmicas Tabla A .10a. Coeficientes de dilatación volumétrica de algunos líquidos Tabla A .10b. Densidad y coeficiente de expansión vo lumétrica del agua Tabla A .11. Tensión superficial Tabla A .12a. Propiedades termodinámicas del vapor saturado Tabla A .12b. Propiedades termodinámicas del amoníaco saturado Tabla A .12c. Propiedades termodinámicas del nitrógeno saturado Tabla A .12d. Propiedades termodinámicas del mercurio saturado Tabla A 12e. Propiedades termodinámicas del refrigerante – 12 (diclorodifluorometano) saturado Tabla A .12f. Propiedades termodinámicas del refrigerante – 113 (triclorotrifluoroetano) saturado Tabla A .13a. Soluciones acuosas de etilenglicol: propiedades térmicas Tabla A .13b. Soluciones acuosas de cloruro de sodio: propiedades térmicas Tabla A . 14a.Dimensiones de tuberías comerciales [mm] (norma ASA) 815 819 820 827 830 831 832 833 851 853 856 856 857 861 862 865 866 867 868 872 875 876 877 878 879 882 883 884 885 886 887 888 889 Tabla A . 14b. Dimensiones de tubos comerciales [mm] (norma ASTM) Tabla A . 14c. Dimensiones de tubos enterizos de acero para intercambiadores de calor tuberías [mm] (DIN 28 180) Tabla A . 14d. Dimensiones de tubos de cobre y de aleación de cobre forjado para condensadores e intercambiadores de calor [mm] (DIN 1785 -83) Tabla A . 14e. Dimensiones de tubos enterizos de acero inoxidable estirado en frío [mm] (LN 9398) Tabla A . 14f. Dimensiones de tubos enterizos de aleación de aluminio estirada en frío [mm] (LN 9223) Tabla A . 15. Atmósfera estándar de los Estados Unidos Tabla A . 16. Algunas constantes físicas B. Unidades, Factores de Conversión y Funciones Matemáticas Tabla B.1a. Unidades básicas del Sistema Internacional y Unidades suplementarias Tabla B.1b. Unidades secundarias del Sistema Internacional Tabla B. 1c. Unidades reconocidas que no pertenecen al Sistema Internacional Tabla B.1d. Múltiplos de unidades del Sistema Internacional Tabla B.2. Factores de Bessel Tabla B.3. Funciones de Bessel a. Funciones de Bessel de primera y segunda especies, de órdenes 0 y 1 b. Funciones de Bessel de primera y segunda especies, de órdenes 0 y 1 Tabla B.4. la función error complementaria C. Gráficos Figura C.1a. Respuesta de la temperatura del plano central de un placa enfriada por convección Figura C. 1b. Respuesta de la temperatura del eje de un cilindro enfriado por convección Figura C. 1c. Respuesta de la temperatura del centro de un esfera enfriada por convección Figura C.2b. Pérdida fraccionaria de energía de un cilindro enfriada por convección Figura C.2c. Pérdida fraccionaria de energía de una esfera enfriada por convección Figura C.3a. Factor de forma (o de visión) de dos discos coaxiales paralelos Figura C.3b. Factor de forma (o de visión) de dos rectángulos uno frente a otro Figura C.3c. Factor de forma (o de visión) de dos rectángulos adyacentes Figura C.4a. Factor de corrección según el método DTLM para un intercambiador de calor de un paso por caraza y 2, 4, 6,…pasos por tubos Figura C.4b. Factor de corrección según el método DTLM para un intercambiador de calor de flujo cruzado en el que ambos fluidos están sin mezclar 890 891 891 892 892 893 894 895 896 896 897 897 899 899 900 902 904 905 906 907 907 908 909 909 910 910 911 911 Figura C.4c. Factor de corrección según el método DTLM para un intercambiar de calor de flujo cruzado en el que ambos fluidos están mezclados Figura C.4d. Factor de corrección según el método DTLM para un intercambiador de flujo cruzado de dos pasos por tubos (sin mezclar) y un paso por coraza (mezclado) Bibliografía Nomenclatura Índice de Materias 912 912 913 919 925
