Ver 1ª PARTE
Resistencia
total y coeficiente de transferencia de calor
En las ecuaciones de conducción en una placa, tasa de
transferencia de calor entre dos superficies y en la tasa de transferencia de
calor convectivo, la tasa de transferencia de calor se expresa como una
diferencia de temperatura dividido por una resistencia térmica. Usando la
analogía de la resistencia eléctrica, con la diferencia de temperatura y tasa
de transferencia de calor en vez de diferencia de potencial y corriente,
respectivamente, pueden aplicarse los circuitos de las resistencias eléctricas
para resolver los circuitos de transferencia de calor. Por ejemplo,
consideremos la tasa de transferencia de calor de un líquido al gas circundante
separado por un sólido de sección constante. La tasa de transferencia de calor
del fluido a la superficie adyacente es por convección, luego cruza el cuerpo
sólido por conducción, y finalmente, de la superficie del sólido a los
alrededores por convección y radiación. Un circuito usando las ecuaciones de
resistencia para cada modo también es conocido. De este circuito, la tasa de
calor es:
Donde:
La resistencia R3 es la
combinación paralela de las resistencias de convección radiación en las
superficies de mano derecha, 1/hcA
y 1/hrA. De forma
equivalente, R3=1/hrcA,
donde hrc en el lado del
aire es la suma de los coeficientes de transferencia de calor por radiación y
convección (es decir, hrc = hc + hr).
La tasa de transferencia de calor
puede escribirse como:
Donde U es el coeficiente de
transferencia de calor total que tiene todas las resistencias implicadas.
Nótese que:
El producto UA es la conductancia total, el recíproco de la
resistencia total. El área de superficie A en el que U se basa no siempre
constante como en el ejemplo, y siempre será especificado cuando se refiera a
U.
Las tasas de transferencia de calor son iguales desde la
superficie del líquido caliente a la superficie del sólido, a través del
sólido, y luego al gas frío. La caída de temperatura a través de cada pieza de
la trayectoria del flujo de calor está relacionada con las resistencias (como
cae el voltaje en un circuito eléctrico), así que:
CONDUCCIÓN TÉRMICA
Conducción en
estado estacionario en una dimensión
Las tasas de transferencia de calor para un cilindro hueco
con transferencia de calor radial serían:
Siendo L el diámetro del cilindro.
Conducción en
estado estacionario en dos o tres dimensiones
Hay numerosas soluciones matemáticas para los problemas de
conducción en dos o tres dimensiones. También existen métodos gráficos o numéricos.
Algunos casos pueden resolverse usando factores de forma de conducción. Usando
el factor de forma de conducción S, la tasa de transferencia se expresa cómo:
Donde k es la conductividad térmica del material, t1 y t2
son temperaturas de dos superficies, y 1/(Sk) es la resistencia térmica.
Superficies
extendidas
La transferencia de calor de una superficie puede
incrementarse fijando aletas o superficies extendidas que incrementen la
transferencia de calor. Para alcanzar el diseño óptimo, estas aletas se
localizan generalmente en el lado del intercambiador de calor con coeficientes
de transferencia de calor más bajas (ej. el lado del aire de un serpentín de
aire-a-agua). Equipos con serpentines de convección forzada y natural incluyen
evaporadores de tubo y carcasa y condensadores. Las aletas se usan también en
el interior de los tubos en los condensadores y en los evaporadores de
expansión seca.
Ver 3ª PARTE
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