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 250 mm de ladrillo y 75 mm de hormigón, con un área de 6 m². Las caras exteriores están a 22 °C y -9 °C. Halla el flujo de calor Q̇ a través del muro.
L1 = 250 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 22 °CT3 = -9 °C
Q̇ = W
2.Conducción de calorDifícil
Un muro de 150 mm de lana mineral y 25 mm de poliestireno expandido separa una habitación a 20 °C del aire exterior a -5 °C. Los coeficientes de convección son 8 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 15 m². Halla el coeficiente global de transmisión de calor U del muro.
L1 = 150 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 15 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -5 °C
U = W/(m²·K)
3.Intercambiadores de calor (DTML)Media
Un intercambiador de calor a contracorriente transfiere 260 kW. Su área de intercambio es 6 m². El fluido caliente se enfría de 165 a 45 °C y el frío se calienta de 15 a 110 °C. Halla el coeficiente global de transmisión de calor U.
Q̇ = 260 kWA = 6 m²Th: 165 → 45 °CTc: 15 → 110 °C
U = W/(m²·K)
4.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
Aceite caliente (1,5 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) se enfría de 110 a 80 °C en un intercambiador a contracorriente. Calienta 1,5 kg/s de agua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 30 °C. Con U = 200 W/(m²·K), halla el área de intercambio A necesaria.
ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 110 → 80 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
3Disoluciones
1.Conducción de calor
Respuesta: Q̇ = 464,1 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) = (250/1000)/(0,72·6) = 0,05787 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(1,4·6) = 0,008929 K/W
Flujo de calor
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 31/0,0668 = 464,1 W
Respuesta
Q̇ = 464,1 W
2.Conducción de calor
Respuesta: U = 0,216 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/(8·15) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,04·15) = 0,25 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,035·15) = 0,04762 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·15) = 0,002667 K/W
ΣR = 0,3086 K/W
Coeficiente global
U = 1/(A·ΣR) = 1/(15·0,3086) = 0,216 W/(m²·K)
Respuesta
U = 0,216 W/(m²·K)
3.Intercambiadores de calor (DTML)
Respuesta: U = 1051 W/(m²·K)
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.
Diferencias de temperatura en los extremos
A contracorriente, la entrada caliente queda frente a la salida fría, y la salida caliente frente a la entrada fría.
ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 165 − 110 = 55 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 15 = 30 K
Diferencia de temperatura media logarítmica
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (55 − 30)/ln(55/30) = 41,24 K
Coeficiente global
U = Q̇/(A·ΔTlm) = 260000/(6·41,24) = 1051 W/(m²·K)
Respuesta
U = 1051 W/(m²·K)
4.Intercambiadores de calor (DTML)
Respuesta: A = 9,163 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.
Potencia térmica y temperatura de salida del agua
Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1,5·2,3·30 = 103,5 kW
Tc,out = 30 + 103,5/(1,5·4,18) = 46,51 °C
Diferencias de temperatura en los extremos
A contracorriente, la entrada caliente queda frente a la salida fría, y la salida caliente frente a la entrada fría.
ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 110 − 46,51 = 63,49 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 80 − 30 = 50 K
Diferencia de temperatura media logarítmica
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (63,49 − 50)/ln(63,49/50) = 56,48 K
Área
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 103500/(200·56,48) = 9,163 m²
Respuesta
A = 9,163 m²
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