Conducción de calor
- Ley de Fourier
- Q̇ = kAΔT/L
- Resistencia de conducción
- R = L/(kA)
- Resistencia de convección
- R = 1/(hA)
- Resistencias en serie
- Q̇ = ΔTtotal/ΣR
- Transmitancia U
- U = 1/(ΣR·A)
Transmisión de calor: pack de repaso
Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 4 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.
1Fórmulas y métodos
Intercambiadores de calor (DTML)
- Potencia térmica
- Q = U·A·ΔTlm
- Diferencia de temperatura media logarítmica
- ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
- Balance de una corriente
- Q = ṁcp(Tin − Tout)
2Problemas de práctica
1.Conducción de calorMedia
Un muro está formado por 200 mm de ladrillo y 150 mm de lana mineral, con un área de 15 m². Las caras exteriores están a 16 °C y 0 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.
L1 = 200 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 16 °CT3 = 0 °C
Q̇ = W
2.Conducción de calorDifícil
Un muro de 50 mm de poliestireno expandido y 100 mm de madera separa una habitación a 22 °C del aire exterior a -4 °C. Los coeficientes de convección son 8 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 6 m². Halla el coeficiente global de transmisión de calor U del muro.
L1 = 50 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -4 °C
U = W/(m²·K)
3.Intercambiadores de calor (DTML)Media
Un intercambiador de flujo paralelo transfiere 40 kW. El fluido caliente se enfría de 95 a 75 °C y el frío se calienta de 10 a 60 °C. El coeficiente global de transmisión es 200 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.
Q̇ = 40 kWU = 200 W/(m²·K)Th: 95 → 75 °CTc: 10 → 60 °C
A = m²
4.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
En un intercambiador a contracorriente ambas corrientes tienen la misma capacidad calorífica, ṁ·cp = 0,5 kW/K. La corriente caliente entra a 115 °C y la fría a 15 °C. El intercambiador tiene A = 1,5 m² y U = 500 W/(m²·K). Halla la temperatura de salida del fluido caliente Th,out.
Ch = Cc = 0,5 kW/KTh,in = 115 °CTc,in = 15 °CA = 1,5 m²U = 500 W/(m²·K)
Th,out = °C
3Disoluciones
1.Conducción de calor
Respuesta: Q̇ = 59,59 W
Resistencia térmica: el flujo de calor estacionario a través de capas en serie se comporta como la corriente por resistencias en serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) para una capa conductora y R = 1/(hA) para una superficie con convección. La caída de temperatura en cada capa es proporcional a su resistencia.
Resistencias de las capas
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,72·15) = 0,01852 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,04·15) = 0,25 K/W
Flujo de calor
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 16/0,2685 = 59,59 W
Respuesta
Q̇ = 59,59 W
2.Conducción de calor
Respuesta: U = 0,4583 W/(m²·K)
Resistencia térmica: el flujo de calor estacionario a través de capas en serie se comporta como la corriente por resistencias en serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) para una capa conductora y R = 1/(hA) para una superficie con convección. La caída de temperatura en cada capa es proporcional a su resistencia.
Resistencias en serie
Ri = 1/(hiA) = 1/(8·6) = 0,02083 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,035·6) = 0,2381 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·6) = 0,09804 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·6) = 0,006667 K/W
ΣR = 0,3636 K/W
Coeficiente global
U = 1/(A·ΣR) = 1/(6·0,3636) = 0,4583 W/(m²·K)
Respuesta
U = 0,4583 W/(m²·K)
3.Intercambiadores de calor (DTML)
Respuesta: A = 4,956 m²
Método de la DTML: la diferencia de temperatura entre las corrientes cambia a lo largo del intercambiador, así que la ecuación usa su media logarítmica: Q̇ = U·A·ΔTlm, con ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), donde ΔT₁ y ΔT₂ son las diferencias en los dos extremos. A contracorriente se obtiene una ΔTlm mayor que en flujo paralelo con las mismas temperaturas de entrada y salida.
Diferencias de temperatura en los extremos
En flujo paralelo ambas entradas están en el mismo extremo, y ambas salidas en el otro.
ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 95 − 10 = 85 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 75 − 60 = 15 K
Diferencia de temperatura media logarítmica
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (85 − 15)/ln(85/15) = 40,36 K
Área
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 40000/(200·40,36) = 4,956 m²
Respuesta
A = 4,956 m²
4.Intercambiadores de calor (DTML)
Respuesta: Th,out = 55 °C
LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.
Diferencia de temperatura constante
La salida fría está frente a la entrada caliente: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), así que ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.
ΔTlm = Th,out − Tc,in
Balance de energía igual a ecuación de transferencia
0,5·(115 − Th,out) = 0,75·(Th,out − 15)
Th,out = (0,5·115 + 0,75·15)/(0,5 + 0,75) = 55 °C
Respuesta
Th,out = 55 °C
Calor transferido: Q̇ = 30 kW; la corriente fría sale a 75 °C.
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