Ingenieria Termica

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  • INDICE

    I- PRINCIPIOS BASICOS DE TRANSFERENCIA DE CALORIntroduccin 1Transmisin de calor por conduccin 2 Pared plana 3 Paredes planas en serie 4Analoga elctrica de la conduccin 4 Paredes en paralelo 5 Resistencia de contacto 6Conductividad trmica 7 Coeficientes de conductividad trmica para las aleaciones 8 Conductividad trmica en lquidos 9 Conductividad trmica de gases y vapores 10Transmisin de calor por conveccin 11Transmisin de calor por radiacin 16Mecanismos combinados de transmisin de calor 18

    II- CONDUCCION DE CALOR EN REGIMEN ESTACIONARIO (I)Introduccin 21Ecuacin fundamental de la transmisin de calor por conduccin 22Conduccin en un cilindro sin generacin de energa 24Espesor de aislamiento crtico para un cilindro; nmero de Biot 26Pared esfrica sin generacin de energa 28Conduccin monodimensional en rgimen estacionario con generacin de energa 30Pared plana 30Placa plana rodeada por un fluido convector 32Pared cilndrica 33Pared cilndrica rodeada con una vaina 34

    III- CONDUCCION DE CALOR EN REGIMEN ESTACIONARIO (II)Conduccin de calor en funcin de dos o ms variables independientes.- Mtodo analtico 39Conduccin en rgimen permanente en placas rectangulares 39 Placa rectangular con una distribucin de temperatura dada en una arista y nula en las dems 41 Placa con un borde a temperatura uniforme 44 Placa rectangular con distribucin de la temperatura en dos bordes opuestos 45 Distribucin de temperaturas en ms de una superficie de contorno 46 Condicin de contorno de conveccin 47 Conduccin en un cilindro circular de longitud finita 48Tablas de Funciones de Bessel 51Distribucin de temperaturas en secciones rectangulares 53Distribucin de temperaturas en paraleleppedos 56Distribucin de temperaturas en cilindros 57Distribucin de temperaturas en tubos 59Mtodo grfico 61

  • Factor de forma para la conduccin para diferentes geometras 62Mtodos numricos 64Mtodo de relajacin 67Ecuaciones para los residuos en el caso de nudos en los lmites 68Mtodo matricial 69Tcnicas de iteracin 71

    IV- CONDICION DE CONTORNO DE CONVECCION EN SOLIDOS INFINITOSIntroduccin 73Conduccin transitoria en placa infinita 76Conduccin transitoria en un cilindro 81Conduccin transitoria en una esfera 85Conduccin transitoria en 2 y 3 dimensiones 89Transmisin de calor por conduccin en rgimen transitorio con generacin de calor E 90

    V- CONDICION DE CONTORNO ISOTERMICA EN SOLIDOS INFINITOSConduccin transitoria en placa infinita con condicin de contorno isotrmica 97Conduccin transitoria en pared cilndrica infinita con condicin de contorno isotrmica 103Conduccin transitoria en una esfera con condicin de contorno isotrmica 107Transmisin de calor por conduccin en rgimen transitorio con generacin de calor E 109

    VI- CONDUCCION DE CALOR TRANSITORIA EN SOLIDOS SEMIINFINITOS Conduccin transitoria en un slido semiinfinito 111Condicin de contorno isotrmica en slido semiinfinito 112Condicin de contorno de conveccin en slido semiinfinito 115Slido semiinfinito sometido a un flujo trmico uniforme en su superficie 117Slido semiinfinito sometido a un pulso de energa en su superficie 118Contacto entre slidos semiinfinitos 118Slido semiinfinito sometido a una variacin peridica de su temperatura superficial 119Conduccin transitoria en un slido con resistencia trmica despreciable 123Pared que se calienta por una cara y se mantiene en contacto con un fluido por la otra 125

    VII.- CONDUCCION TRANSITORIA DEL CALOR EN SOLIDOS FINITOSConduccin transitoria bidimensional y tridimensional 127 Sistemas bidimensionales 131 Sistemas tridimensionales 132Calor disipado 132Conduccin transitoria en 2 y 3 dimensiones (c.c. isotrmica) 133Conduccin transitoria en 2 y 3 dimensiones (c.c. conveccin) 133Transmisin de calor por conduccin en rgimen transitorio con generacin de calor E 136

    VIII- CONDUCCION TRANSITORIA DEL CALOR EN SOLIDOS FINITOS. METODO GRAFICOSoluciones numricas a problemas de conduccin monodimensionales en rgimen transitorio 141Nudos interiores 141Nudos perifricos 144Ecuaciones trmicas de los nudos y condiciones de estabilidad 146Aplicacin del mtodo grfico a paredes compuestas 147Resolucin grfica con choque trmico 149Resolucin grfica con conveccin en la superficie 150IX.- SUPERFICIES AMPLIADAS DE SECCION TRANSVERSAL CONSTANTEIntroduccin 153

  • Transferencia de calor mediante aletas de seccin transversal constante 154Aleta muy larga 156Aleta con su extremo libre aislado trmicamente 157Aleta con conveccin desde su extremo libre 158Aleta entre dos paredes a temperaturas diferentes 159Campo de aplicacin de las aletas rectas de seccin uniforme 160 Perfil ptimo 161

    X- SUPERFICIES AMPLIADAS DE SECCION TRANSVERSAL VARIABLEAletas de seccin variable 165Aleta anular de espesor constante 166Aleta longitudinal de perfil trapecial 172Aleta longitudinal de perfil triangular 173Perfil ptimo de la aleta longitudinal de perfil triangular 174Rendimiento de la aleta; casos particulares 174Aletas longitudinales de perfil parablico 174Protuberancias 178Coeficiente global de transmisin de calor con aletas, para el aire 180

    XI.- TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCION. CAPA LIMITE TERMICA E HIDRODINMICAIntroduccin 183Ecuacin diferencial de la transmisin de calor en un medio en movimiento 185Capa limite laminar en flujo sobre placa plana: polinomios de grado 2 y 3 188Espesores y caudales de la capa lmite 191Espesor de desplazamiento de la capa lmite 191Espesor de la cantidad de movimiento de la capa lmite 192Espesor de energa de la capa lmite 193Caudal de la capa lmite 193Caudal de la cantidad de movimiento de la capa lmite 193Ecuacin integral del impulso de la capa lmite laminar 194Caudal de la cantidad de movimiento 194Fuerza de arrastre.- Casos particulares con perfiles de segundo y tercer grado 195Ecuaciones de Prandtl de la capa lmite 197Ecuacin clsica de Krmn 198Ecuacin integral de la energa de la capa lmite.- Casos particulares 199Relacin entre el coeficiente de arrastre y el de conveccin en flujo laminar sobre placa plana 204Capa lmite turbulenta para placa plana 205Desprendimiento de la capa lmite 207Tabla de coeficientes de arrastre de algunos cuerpos y perfiles inmersos en una corriente fluida 207

    XII.- TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCION EN CONDUCTOSFlujo en conductos circulares; flujo isotrmico; Ec. de Poiseuille 211Flujo en conductos no circulares circulares 214Fluidos que circulan por tuberas en conveccin forzada en rgimen laminar con flujo de calor constante 216

    XIII.- TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCION. ANALOGAS Y ANALISIS DIMENSIONAL Analoga entre la transmisin de calor y la cantidad de movimiento en flujo turbulento 217Capa lmite trmica sobre placa plana. Conductividad trmica. Cantidad de movimiento 217

  • Expresin general de la relacin bsica de la analoga entre el calor y la cantidad de movimiento 219Analoga de Reynolds 220Analoga de Prandtl 222Analoga de Von Karman 224Diagrama de Moody 225Analoga de Colburn 226Anlisis dimensional. Teorema de Buckinghan 227Ecuacin general de resistencia 229Ecuacin general de la prdida de carga en una conduccin cilndrica 230El mtodo bsico de anlisis dimensional 230

    XIV.- CORRELACIONES PARA LA CONVECCION NATURALCorrelaciones analticas para la conveccin natural en placa plana vertical 237Solucin integral en pared isotrmica 239Placa con flujo de calor constante 241Correlaciones para la conveccin natural en placas 241Conveccin natural, sobre placa vertical 242Conveccin natural sobre placa vertical a temperatura uniforme 242Conveccin natural sobre placa vertical con flujo de calor constante 244Conveccin natural sobre placa inclinada 245Conveccin natural en placa horizontal 245Conveccin natural entre placas horizontales 246Conveccin natural entre placas verticales 247Conveccin natural entre placas inclinadas 248Correlaciones para la conveccin natural en tubos 249Conveccin natural sobre un tubo o un cilindro horizontal 249Conveccin natural entre cilindros concntricos 250

    XV.- CORRELACIONES PARA LA CONVECCION FORZADACorrelaciones para la conveccin forzada en placas 253Flujo laminar sobre placa plana horizontal 253Flujo laminar totalmente desarrollado entre placas planas paralelas 253Flujo turbulento sobre placa plana horizontal 254Correlaciones para la conveccin forzada en el interior de tuberas 255Flujo laminar por el interior de tuberas 255Flujo turbulento desarrollado por el interior de tuberas 256Flujo turbulento no desarrollado por el interior de tuberas 260Flujo turbulento de metales lquidos por el interior de tuberas 261Flujo turbulento por un serpentn tubular 261Correlaciones para la conveccin forzada por el exterior de tuberas 262Flujo paralelo turbulento por el exterior de un tubo 262Flujo paralelo turbulento por el exterior de tubos en batera 262Correlaciones para la conveccin en esferas 263Conveccin natural y forzada combinadas 264Correlaciones para la conveccin en flujos cruzados 265Flujo cruzado en tubo nico liso 265Flujo cruzado en tubos en batera 267Correlaciones para la conveccin a travs de un lecho compacto 273Correlaciones para la conveccin en superficies giratorias 274

    XVI.- CONDENSACION Y VAPORIZACIONTransferencia de calor por condensacin 277

  • Condensacin en forma de pelcula 277Condensacin en pelcula laminar sobre placas y tubos verticales 281Condensacin en pelcula laminar sobre placas y tubos inclinados 284Condensacin en pelcula laminar sobre un tubo horizontal 284Condensacin en rgimen turbulento 285Efecto de la velocidad del vapor en placas y tubos verticales 286Condensacin en rgimen turbulento en el interior de tubos horizontales 287Condensacin en forma de gotas 288Transferencia de calor por ebullicin de lquidos en reposo 288Evaporacin en pelcula descendente sobre una pared vertical 288Ebullicin nucleada en recipientes con un lquido en reposo 289Ebullicin en la superficie exterior de un hilo horizontal caliente sumergido en un lqui