Fundamentos de transferencia de calor y de masa, 4ta PDF

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Fundamentos de transferencia de calor Fundam entos de transferencia de calor CUARTA EDICIÓN FRANK P. INCROPERA DAVID P. D f WITT School o f Mechanical Engineering Purdue Universiíy TRA D U C C IÓ N Ricardo Cruz Investigador Fundación Javier Barros Sierra REV ISIÓ N TÉCN IC A Enrique M uñoz Díaz Ing...

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Fundamentos de transferencia de calor y de masa, 4ta raul melendez

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Fundamentos de transferencia de calor

Fundam entos de transferencia de calor CUARTA EDICIÓN

FRANK P. INCROPERA DAVID P. D f WITT School o f Mechanical Engineering Purdue Universiíy

TRA D U C C IÓ N Ricardo Cruz Investigador Fundación Javier Barros Sierra REV ISIÓ N TÉCN IC A Enrique M uñoz Díaz Ingeniero M ecánico Electricista Facultad de Ingeniería - U niversidad N acional A utónom a de M éxico D irector de la C arrera de Ingeniería M ecánica Electricista Instituto Tecnológico de E studios Superiores de M onterrey Cam pus M onterrey A SESO RÍA TÉC N IC A Lourdes Delgado Núñez D epartam ento de Energía U niversidad A utónom a M etropolitana Unidad A zcapotzalco

PEARSON

Educación

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Datos de catalogación bibliográfica Incropera, Frank P. Fundamentos de transferencia de calor. 4a ed

PRENT1CE HALL, México. 1999 ISBN 970-17-0170-4 AREA: UNIVERSITARIOS

FORMATO: 20 X 25.5 cm

PAGINAS 912

ED IC IO N EN ESPAÑOL.:

EDITOR SUPERVISOR DE TRADUCCIÓN SUPERVISORA DE EDICION

PABLO EDUARDO ROIG VAZQUEZ ENRIQUE PALOS BAEZ REBECA RUIZ ZAMITES BONILLA

ED IC IÓ N EN INCJl E S:

Acquisuion> editor: Cliíí Robichaud Marketing manager. Debra Riegert Produclion manager. LuciIIe Buonocorc Sénior produclion editors: Nancy Prin/.Tracey Kuchn Texl designer: Nancy Eield Cover dcsigner Karin Kincheloe Manufacturing manager: Mark CiriIIo Illustration editor: Edward Starr INC ROPERA E UNDAMENTOS D L IR A N SFEREN CIA D E CALOR. 4o e d _________________________

Traducido del inglés de la obra: Fundam entáis o flle a t and Mass Transfer, 4th ed A1I rights reserved. Authorized translation from Engllsh language edítion pubhshed by John Wiley & Sons, Inc Todos los derechos reservados. Traducción autorizada de la edición en inglés publicada por John Wiley & Sons. Inc. AII rights reserved. No par! ofthis book may be reproduced or transmitted m any form or by any means, clectronic or mechanical. íncluding pholocopying, rccording or by any Information storage and retricval systcm, without permission in writing from the publisher. Prohibida la reproduce on total o parcial de esta obra, por cualquier medio o método sin autorización por escrito del editor Derechos reservados © 1999 respecto a la primera edición en español publicada por PRENTICE HAI I HISPANOAMERICANA, S. A Atlacomulco 500-5to piso Industrial Atoto

53519 Naucalpan de Juárez, Edo de México ISBN 970-17-0170-4 Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial, Reg. Núm. 1524. Original Enghsh Language Edil ion Pubhshed by John Wiley &. Sons, Inc Copyright© 1996 All rights reserved ISBN 0-471-30460-3 IMPRESO EN MÉXICO / PRINTED IN MEXICO

D edicado a mu ‘'tras num erosas familias y a sus lujos,

¡Vichólas D c W itt fíifa n o 9J o h n W a lla ce, M ic h a e l A n th o n y

y B r a n d a n P a tr ic k ía f e ls k i q u ie n e s lian in c r e m e n ta d o los n iv e le s de am o r, p a c ie n c ia \ c o m p r e n sió n en n u e str a s v id a s.

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y M a llo ry R e n e e Da-rU; P a tr ic ia A n a y D a v id Á n d n w F o le y M ic h a e l D eW itt y S a ra h J o a n n e I r e d e r ic k ;

Con el paso de aproxim adam ente quince anos desde la publicación de la prim era edición, este texto ha llegado con toda claridad a ser una representación m adura de la enseñanza de la transferencia de calor. No obstante esta m adurez, pensam os que. si bien algunos principios básicos siguen siendo válidos, nuestro tratam iento del tem a ha estado en evo­ lución constante Preparar la prim era edición se basó en la convicción de que un prim er curso de trans­ ferencia de calor debe, sobre todo, propiciar dos cosas: inculcar una apreciación de los orígenes físicos del tem a y establecer la relación de estos orígenes con el com portam ien­ to de los sistem as térm icos. Para llevar esto a cabo son necesarias las m etodologías que faciliten la aplicación del tem a a una am plia variedad de problem as prácticos, y debe lom entarse la facilidad para realizar la clase de análisis de ingeniería que, aunque no exacto, proporcione inform ación útil con respecto al diseño y/o funcionam iento de un sis­ tem a o proceso. Los requisitos de este tipo de análisis incluyen la capacidad de distinguir procesos de transporte relevantes y sim plificar suposiciones, identificar las variables de­ pendientes c independientes adecuadas, desarrollar las expresiones apropiadas a partir de los principios fundam entales y em plear las herram ientas necesarias a partir de la base del conocim iento de la transferencia de calor En la prim era edición, el logro de este ob­ jetivo se procuro planteando m uchos de los ejem plos y problem as de fin de capitulo en térm inos de sistem as de ingeniería reales La segunda edición tam bién se guio por los objetivos antcrioies. asi com o por consi­ deraciones derivadas de un cuestionario que se m andó a más de cien colegas que usaron la prim era edición o se fam iliarizaron con ella L na de las principales consecuencias de estas consideraciones fue la publicación de dos versiones del libro- Fundamentáis ofUeat andMass Transfer (Fundam entos de transferencia de calor y masa) e Intwduction to Heat Tiransfer ( Introducción a la transferencia de calor). C om o en la prim era edición, la versión de ‘ Fundam entos” com prendió la transferencia de m asa y proporciono un tratam iento integrado de transferencia de calor, m asa y m om ento m ediante convección, así com o tratam ientos aparte de transferencia de calor y masa por difusión La versión de ‘‘Introduc­ ción*’ del libro se destinó a usuarios que desearan abarcar el tratam iento de la transferencia de calor, pero que no desearan ver los efectos de la transferencia de masa. En am bas versiones, se realizaron m ejoras significativas en el tratam iento de los métodos num éri­ cos y de la transferencia de calor con cam bio de fase. En la tercera edición, los cam bios estuvieron m otivados por el deseo de incrementar el alcance de las aplicaciones y de realzar la exposición de los principios físicos Se am ­ plió la cobertura del material existente sobre resistencia térm ica de contacto, análisis de

I'rúlavi» ■ resistencia interna despreciable y m étodos de dilercncias finitas e intercam biadores de calor com pactos, adem ás de que se agregó nuevo material sobre convección forzada en chorros sum ergidos y convección libre en canales abiertos de placas paralelas. También se incluyeron cerca de 300 problem as nuevos. Con el espíritu de pasados esfuerzos, mu­ chos de los problem as tratan tem as contem poráneos de la practica de la ingeniería, com o la conversión y utilización de la energía, la protección térm ica, el enfriam iento electróni­ co, la fabricación y el procesam iento de materiales. Seguim os creyendo que, adem ás de reforzar en el estudiante la com prensión de principios y aplicaciones, los problem as sir­ ven de m otivación, pues relacionan el tem a con necesidades reales de la ingeniería. En la preparación de la presente edición, m íluyó m ucho el intenso análisis al que ha estado sujeta recientem ente la educación en ingeniería. Por un lado, oím os decir que. si se pone énfasis en el análisis y las ciencias de la ingeniería, se descuidan las capacidades de síntesis e integración de sistem as que por lo general se requieren en la práctica de la pro­ fesión. Por el contrario, los defensores de los m étodos de educación en ingeniería poste­ riores a la década de los 50 argum entan que una valoración cuidadosa de los principios básicos de ingeniería es esencial para com prender y m ejorar la operación de los disposi­ tivos, procesos y sistem as existentes, asi com o para el desarrollo de nuevas tecnologías. En nuestro caso, estam os de acuerdo con am bas aseveraciones Es posible un m ejor tra­ bajo en la preparación de nuestros estudiantes para la práctica de la ingeniería, y es im por­ tante que com prendan los principios básicos y que sean capaces de aplicarlos. Sin em bargo, tam bién consideram os que estos dos objetivos no son m utuam ente excluyentes. sino que se pueden acoplar para beneficio mutuo Pocos educadores se han salvado de Ja frustración de ver que muchos de los estudian­ tes que com pletaron de form a satisfactoria las ciencias esenciales de la ingeniería com e­ ten errores al intentar aplicar incluso los principios más rudim entarios a problem as en el nivel de diseño y sistemas. Creem os que este tipo de dificultades son resultado de una for­ m a de pensam iento que considera que cada problem a tiene una solución única (la correc­ ta) y que existe sólo un cam ino hacia esa solución Con el propósito de 110 equivocarse para encontrar el cam ino a la solución adecuada, la solución del problem a corre el nesgo de llegar a ser un ejercicio restringido al reconot¿miento de patrones. Es decir, el método de solución de problem as se concentra en la búsqueda de soluciones existentes para proble­ mas similares. En Purdue. com o en m uchas otras instituciones, se utiliza la educación por objetivos com o m edio de enfrentar las anteriores deficiencias. Una im portante característica de nuestro m étodo im plica el propósito inte viador a lo largo del programa de estudios , que incluye cursos, com o el de transferencia de calor, basados en las ciencias de la ingeniería. En estos cursos, los problemas de diseño \ los problemas ubiet tos proveen tierra fértil pa­ ra relacionar los fundam entos con modelos de ingeniería útiles y, a su vez, para relacio­ nar estos m odelos con decisiones de diseño A unque los problem as pueden ser de alcance lim itado y quizá no requieran más de unas cuantas horas fuera del salón de clase, se refie­ ren a necesidades reales y perm iten planteam ientos alternativos, que incluyen considera ciones del tipo de qué sucedería si De esta m anera, proporcionan el contexto necesario para que los estudiantes adquieran confianza en la aplicación de los principios básicos a problem as reales abiertos y utilicen estas aplicaciones com o una base para tom ar decisio­ nes de diseño. A través del estim ulo que proporcionan, los problem as tam bién aum entan el interés y profundizan en la com prensión de los principios básicos. Por lo tanto, en esta edición agregam os un núm ero significativo de problem as abier­ tos que aum entarán el interés del estudiante en la transferencia de calor, fortalecerán su capacidad para aplicar el tem a a necesidades reales, y lo prepararán m ejor para la prácti­ ca de la ingeniería. D ebido a que m uchos de estos problem as implican consideraciones de

■ Prefacio

¡Y

tipo exploratorio, de que sucedería si, y de sensibilidad de parámetros, se recom ienda que se traten en com putadora con un paquete de .software para solución de ecuaciones. A unque los estu d ian tes ciertam ente pueden crear y solucionar los m odelos con un softw are con el que ya estén fam iliarizados, hay softw are basado en W indow s que ofre­ ce algunas v entajas diferentes com o herram ienta de productividad y aprendizaje. D eno­ m inado Interactive Heat Transfer (T ransferencia de calor interactiva, ¡HT) y diseñado en colaboración con IntelhP ro. Tnc.. de N ew B runsw ick. N ueva Jersev. el softw are está inte* grado por co m pleto con el texto, pues em p lea las m ism as m etodologías y nom enclatura. IHT proporciona un am biente para co n struir m odelos y solucionar problem as que com prende un preprocesador, un solía ionador y un posproi esador. El preprocesador tiene un espacio de trabajo en el que se puede introducir ecuaciones y com entarios desde m ódulos preexistentes y/o herram ientas (así com o desde el teclado). Los m ódulos co n ­ sisten en modelos, que cubren tem as m ás am plios, com o balances de energía y circuitos térm icos, m ientras que las h erram ientas proporcionan ecuaciones específicas para proce­ sos de conducción, convección y radiación, asi com o propiedades termofísicn.s para sus­ tancias seleccionada: El solu cio n ad o r brinda la capacidad de auxiliar en la solución de ecu acio n es de form a com prensible, m ientras que el posprocesador cuenta con una opción de exploración para estu d io s de sen sib ilid ad de parám etros, un visor para tabular resu l­ tados y una opción gráfica para graficar los resultados. La capacidad de construcción de m odelos y solución de problem as del IH T facilita la aplicación de las m etodologías que se presentan en el texto, así com o la ejecución de problem as de diseño y del tipo co n jetu ­ ral de (pié sucedería si. Los m odelos accesibles desde el prepro cesador están contenidos en seis diferentes módulos, cada uno de los cu ales tiene uno o m ás m odelos. Los m ódulos y modelos rela­ cionados. siguiendo el orden en que aparecen en el texto, son los siguientes. 1. Prim era ley: balances de energía de estado estable para • geometrías tsorc rmicas planas, c iffndricas y esjéi iras con efectos multimodales:

• paredes planas no isotérmicas con efec ros multimodales; • flujo por un banco de tubos; • flujo Por lm tubo. 2. R ed es de resistencia térm ica: co n stru cto r y solucionador (solver) d e circuitos térm i­ cos para •

candín ción unidimensional en paredes planas, cilíndi u as y esféricas en condicio­ nes de superficie convectivas v/o radiativas.

3. C ond u cción unidim ensional de estado estable: distribuciones de tem peratura y transferencia de calor con o sin generación uniform e de energía para •

conducción unidimensional en geometrías planas, ailindi u as y esfét ic as i on con­ diciones de p a n tera de la primera, segunda o ten cía i lase

4. Superficies extendidas: m odelos para •

distribuciones de temperatura y transferencia de calor en una aleta rectangular recta o en form a de alfiler:

• desempeño de una aleta rectangular reí ta. en form a de alfiler, triangulen o parabó­ lica y de una aleta circular de peifil rectangular; • desempeño de arreglos de aletas rectas de alfiler y circulares.

\

Pr«*fa«*io ■ 5. R e siste n c ia in te r n a d e s p re c ia b le : co n stru cto r de m odelos para •

respuesta transitoria de sistemas isotérmicos espaciales en condiciones de super­ ficie de radiación y/o convección, con o sin generación de energía.

6 . C o n d u c c ió n tr a n s ito r ia : m odelos para co n d u cción transitoria unidim ensional en

•

geometrías finitas planas, cilindricas y esféricas:

•

sólidos semiinfinitos.

A u m enta la cap acid ad de co n stru cció n de m odelos y de solución de problem as con las características de los sig u ien tes g r u p o s d e h e r r a m ie n ta s y funciones relacionadas 1. Tinunciones d e flu jo : ecu acio n es b ásicas de flujo pa a •

conducción en estado estable (p ared es planas, cilin d ricas y esféricas):

•

convección (superficies planas, cilin d ricas y esféricas):

•

radiación (superficies planas, cilin d ricas y esféricas).

2. R e siste n c ia s té rm ic a s : ex p resio n es para •

conducción (p ared es p lanas, cilin d ricas y esféricas):

•

convección (superficies planas, cilin d ricas y esféricas):

•

radiación (superficies p lanas, cilin d ricas y esféricas).

3. E c u a c io n e s d e d ife re n c ia fin ita : form as están d ar de ecu acio n es de d iferencia finita para •

sistemas unidimensionales transitorios y en estado estable:

• sistemas tridimensionales transitorios y en estado estable. 4. C o rre la c io n e s d e c o n v e c c ió n : ecuaciones de correlación para •

convección forzada externa (placa plana, cilindro, esfera, banco de tubos):

•

convección forzada interna:

• convección libre (placas verticales y h orizontales, sistem as radiales): •

ebullición (n u clead a. de p elícula y de transferenci i de calo r m áxim o y m ínim o):

•

condensación de película (placa vertical, sistem as radiales).

5. I n te r c a m b ia d o r e s d e c a lo r: relaciones de efectiv id ad N U T para d iseño y rendim ien­ to de •

tubos concéntricos, configuraciones de coraza y tubo y de flujo cruzado.

6 . I n te r c a m b io p o r r a d ia c ió n : ex p resio n es están d ar p ara calcular

• funciones de cuerpo negro (tacto res de intensidad esp ectral, potencia em isiv a y em isión de banda): • factores de form a (relacio n es y fórm ulas): •

intercambio por radiación en un recinto.

7. P ro p ie d a d e s : d ep en d en cia de tem p eratu ra de propiedades term o fisicas para m ateria­ les esco g id o s com o •

sólidos (alu m in io 2024, acero inoxidable 302. cobre, nitruro de silicio):

•

líquidos (agua, aceite lubricante, etilen g lico l. R 1 2 R 113):

•

gases vapores (a b e , agua, helio, R 12. R 1 13).

Prefacio

xi

Los usuarios del program a IH T deben entender que no se trata de una colección de m odelos resueltos previam ente para ejercicios con diferentes condiciones de entrada. Más bien es una herram ienta de productividad que facilita la construcción y solución de m odelos para la am plia variedad de problem as de transferencia de caloi que abarca este texto. La construcción se facilita con la capacidad para arrastrar material de cualquiera de los m ódulos y herram ientas al área de trabajo y, coino se requiere para com pletar el m odelo, introducir ecuaciones adicionales desde el teclado Por ejem plo, si se desea uti ■ lizar el m étodo de resistencia interna despreciable (capítulo 5) para determ inar la respues­ ta térm ica transitoria de un sólido que se enfria m ediante convección libre y radiación, el m odelo apropiado se generaría com binando características del m ódulo 5 y de las herra­ m ientas 1 , 4 y 7. A lternativam ente, el balance de energía apropiado, y las ecuaciones o m odelos de transferencia de calor, correlaciones y propiedades se introducirían desde el teclado. El solucíonador serviría después para calcular la historia de tem peratura desea da, así com o para evaluar y trazar gráficas de los efectos de las variaciones de los param etros apropiados. Para facilitar su uso. el softw are tam bién incluye un tutorial, ejem plos resueltos y opciones para ayuda en línea A fin de m inim izar las frustraciones asociadas con la obtención de resultados in­ coa ec tos a partir de un modelo incorrecto, m uchos de los problem as abiertos de este tex­ to aparecen com o extensiones a problem as de una sola solución. De esta form a los estu­ diantes pueden prim ero elaborar y probar su m odelo bajo condiciones prescritas para las que sólo hay una respuesta Una vez establecida la confianza en la validez de su modelo, pueden usar entonces 1HT (o algún otro solucíonador) para llevar a cabo cálculos param étricos desde los que es posible determ inar los diseños o las condiciones de operación óp­ timos. Estos problem as se identifican por tener encerrada su parte exploratoria con un rectángulo, por ejem plo, ( b ) , (c) o (d)|. b sta característica tam bién perm ite a los ins­ tructores tratar la transferencia de calor sin el uso de com putadoras para aprovechar la ri­ queza de estos problem as incluso asignando todas las porciones excepto las realzadas Lo...