Transferencia de Calor 8va Edicion J P Holman PDF

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I I I I I TRANSFERENCIA DE Octava edición (primera en español) CALOR I I I I I I I I TRANSFERENCIA DE CALOR Octava edición (primera en español) J. P. Holman Profesor de Ingeniería Mecánica Southern Methodist University Traducción Pablo de Assas Martínez de Morentín Teresa de J. Leo Mena Isabel Pére...

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Transferencia de Calor 8va Edicion J P Holman Francisco José Vargas Campos Transferencia de calor

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I I I I I I I I I I I I I

TRANSFERENCIA

DE

Octava edición (primera en español)

CALOR

TRANSFERENCIA

DE

CALOR

Octava edición (primera en español) J. P. Holman Profesor de Ingeniería Mecánica Southern Methodist University Traducción

Pablo de Assas Martínez de Morentín Teresa de J. Leo Mena Isabel Pérez Grande E.T.S. de Ingenieros Aeronáuticos Universidad Politécnica de Madrid Revisión técnica

Pedro Pérez del Notario Martínez de Marañón Antonio Sánchez Sánchez E.T.S. de Ingenieros Aeronáuticos Universidad Politécnica de Madrid

MADRID. BUENOS AIRES CARACAS. GUATEMALA LISBOA MÉXICO NUEVA YORK PANAMÁ SAN JUAN SANTAFÉ DE BOGOTÁ SANTIAGO. SAO PAULO AUCKLAND HAMBURGO LONDRES MIL‘íN MONTREAL NUEVA DELHI PARIS SAN FRANCISCO SIDNEY SINGAPUR. ST. LOUIS TOKIO TORONTO λ

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TRAN S FEREN CIA DE CALOR. Octava edición (primera en español) No está permitida la reproducción total o parcial de este libro, ni su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, por fotocopia, por registro u otros métodos, sin el permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright. DERECHOS RESERVADOS 0 1998, respecto a la primera edición en español, por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA DE ESPAÑA, S. A. U. Edificio Valrealty, 1.” planta Basauri, 17 2 8 0 2 3 Aravaca (Madrid) ISBN: 84-481-2040-X Depósito legal: M. 27.618-1999 Traducido de la octava edición en inglés de Heat Transfer Copyright 0 MCMXCVII by McGraw-Hill Companies, Inc. ISBN 007-844785-2 Editora: Concepción Fernández Madrid Compuesto e impreso en Fernández Ciudad, S. L. IMPRESO EN ESPAÑA - PRINTED IN SPAIN

CONTENIDO

........

Prólogo ................................................ Lista de símbolos ................................... CAPíTULO

1.

INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1. Transferencia de calor por conducción ............. 1.2. Conductividad térmica .............................. 1.3. Transferencia de calor por convección ............. 1.4. Transferencia de calor por radiación ............... 1.5. Dimensiones y unidades ............................. 1.6. Resumen .............................................. Repaso ...................................................... Lista de ejemplos resueltos ................................ Problemas .................................................. Referencias .................................................. CAPíTULO 2.

2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 2.10.

......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... .........

CONDUCCIÓN ESTACIONARIA UNIDIMENSIONAL . . . . . . . .

Introducción. ................................... La placa plana .................................. Aislamiento y valores R ........................ Sistemas radiales ................................ El coeficiente global de transferencia de calor Espesor crítico de aislamiento ................. Sistemas con fuentes de calor .................. Cilindro con fuentes de calor .................. Sistemas con conducción-conveccih ......... Aletas ............................................

........... ........... ........... ........... ...........

ix . 1 1 4 1

9 9 13 13 13 14 16 17 17 17 18 18 22 25 26 27 29 31

2.11. Resistencia térmica de contacto. ............................ Repaso ................................................................ Lista de ejemplos resueltos. ......................................... Problemas. ........................................................... Referencias ............................................................ CAPíTULO 3.

CONDUCCIÓN

ESTACIONARIA

MULTIDIMENSIONAL

......

Introducción. ................................................. Análisis maternatic de la conducción de calor bidimensional .......................................................... Análisis gráfico ............................................... 3.3. 3.4. Factor de forma conductivo ................................. 3.5. Método de análisis numérico ................................ 3.6. Formulación numérica en términos de elementos resistivos 3.7. Iteración de Gauss-Seidel.. .................................. Consideraciones sobre la precisión .......................... 3.8. 3.9. Analogía eléctrica para la conducción bidimensional.. .... 3.10. Resumen ...................................................... Repaso ................................................................ Lista de ejemplos resueltos.. ........................................ Problemas. ........................................................... Referencias. ........................................................... 3.1. 3.2.

CAPíTULO 4.

4.1. 4.2. 4.3.

CONDUCCIÓN

NO

ESTACIONARIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Introducción ................................................... Sistemas de capacidad térmica global ........................ Flujo de calor transitorio en un sólido semi-infinito ........

37 39 39 40 50 51 51 51 54 55 60 67 70 71 81 81 82 82 82 92 95 95 96 98

Vi

CONTENIDO

4.4. Condiciones de contorno convectivas ............... 4.5 Sistemas multidimensionales ......................... 4.6. Método numérico para el régimen transitorio ...... 4.7. Formulación de la resistencia y capacidad térmicas 4.8. Resumen. .............................................. Repaso ....................................................... Lista de ejemplos resueltos ................................. Problemas ................................................... Referencias. ..................................................

....... ....... ....... ....... ....... .......

101 109 113 120 132 133 133 133 147

LOS PRINCIPIOS DE LA CONVECCIÓN.. . . . . . . . . . . . .

149

Introducción. ................................................. Flujo viscoso .................................................. Flujo no viscoso .............................................. Capa límite laminar en una superficie plana ............... Ecuación de la energía de la capa límite .................... La capa límite térmica ....................................... Relación entre la fricción en el fluido y la transferencia de calor ......................................................... 5.8. Transferencia de calor en la capa límite turbulenta ...... 5.9. Espesor de la capa límite turbulenta ...................... 5.10. Transferencia de calor en flujo laminar en un tubo ...... 5.11. Flujo turbulento en un tubo ............................... 5.12. Transferencia de calor en corriente a alta velocidad ..... 5.13. Resumen .................................................... Repaso .............................................................. Lista de ejemplos resueltos ........................................ Problemas. ......................................................... Referencias ..........................................................

149 149 151 154 158 160 167 168 173 174 177 179 183 185 185 185 191

CAPíTULO 6. RELACIONES EMPíRICAS Y PRÁCTICAS EN TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN FORZADA.. . . . . . . . .

193

CAPíTULO 5.

5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.6. 5.1.

6.1. 6.2.

Introducción ................................................... Relaciones empíricas para corrientes en tuberías y conductos ............................................................... 6.3. Flujo alrededor de cilindros y esferas ........................ 6.4. Corriente alrededor de un haz de tubos.. ................... 6.5. Transferencia de calor en metales líquidos ................... 6.6. Resumen.. ...................................................... Repaso ................................................................ Lista de ejemplos resueltos .......................................... Problemas ............................................................ Referencias ............................................................

193 194 204 211 215 217 219 219 220 226

SISTEMAS DE CONVECCIÓN NATURAL.. . . . . . . . .

229

Introducción. ................................................. Transferencia de calor por convección natural en una placa plana vertical ................................................. 7.3. Relaciones empíricas para convección natural ............. 7.4. Convección natural de planos y cilindros verticales ....... 7.5. Convección natural desde cilindros horizontales ........... 7.6. Convección natural desde placas horizontales ............. 7.7. Convección natural de superficies inclinadas ............... 7.8. Fluidos no newtonianos ..................................... 7.9. Ecuaciones simplificadas para el aire ....................... 7.10. Convección natural en esferas ............................... 7.11. Convección natural en espacios cerrados ................... 7.12. Convección natural y forzada combinadas.. ............... 7.13. Resumen ...................................................... Repaso ................................................................ Lista de ejemplos resueltos .......................................... Problemas. ........................................................... Referencias ............................................................

229 229 235 235 240 242 243 244 244 245 245 254 257 259 259 259 266

CAPíTULO 8.

TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN. . . . . . . . . .

271

Introducción. ................................................. Mecanismo físico ............................................. Propiedades de la radiación ................................. Factor de forma de radiación ............................... Relaciones entre factores de forma .......................... Intercambio de calor entre cuerpos no negros ............. Planos paralelos infinitos.. .................................. Apantallamientos radiantes .................................. Radiación de gases ........................................... Circuito de radiación para medios absorbentes y transmisores ........................................................... 8.11. Intercambio de radiación con superficies especulares ...... 8.12. Intercambio de radiación a través de medios transmisores, reflectantes y absorbentes .................................... 8.13. Formulación de la solución numérica. ...................... 8.14. Radiación solar ............................................... 8.15. Propiedades de radiación del ambiente. .................... 8.16. Influencia de la radiación en la medida de temperatura. 8.17. El coeficiente de transferencia de calor por radiación. .... 8.18. Resumen ,. ..................................................... Repaso ................................................................

271 271 272 278 284 289 294 296 299

CAPíTULO 7.

7.1. 7.2.

8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.5. 8.6. 8.7. 8.8. 8.9. 8.10.

305 310 313 317 328 331 333 334 335 335

CONTENIDO

Lista de ejemplos resueltos .......................................... Problemas ............................................................ Referencias ............................................................ CAPíTULO 9.

336 336 353

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDENSACIÓN Y EBULLICIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9.1. 9.2. 9.3. 9.4.

355

Introducción ................................................... Fenómenos de transferencia de calor por condensación .... El número de condensación ................................... Condensación en película en el interior de tubos horizontales ............................................................. 9.5. Transferencia de calor por ebullición ......................... 9.6. Relaciones simplificadas de la transferencia de calor por ebullición con agua ............................................ 9.7. El caloducto.. .................................................. 9.8. Resumen e información sobre el diseño ...................... Repaso. ............................................................... Lista de ejemplos resueltos .......................................... Problemas ............................................................ Referencias. ...........................................................

355 355 359

CAPíTULO 10.

379

CAMBIADORES DE CALOR Cmín/C,,,áx)

Véase la Lista de st’mbolos Re = !E c1

Gr = p2gBATx3 P2

Pr =5f

x = dimensión característica Transferencia de calor por radiación (Capítule 8) Energía emitida por un cuerpo negro Poder emisor = oT4 de cuerpo negro, área. tiempo Radiosidad =

Irradiación =

energía incidente sobre una superficie área. tiempo energía que sale de una superficie área. tiempo

Factor de forma de radiación F,, = fracción de la energía que sale de la superficie m e incide en la superficie n Relación de reciprocidad: A,F,, = A,F,, Transferencia de calor por radiación desde una superficie con área A,, emisividad cl, y temperatura T,(K) hacia un recinto grande a temperatura T,(K): q = aA,&,(T;S - T;)

de la página xiii

para

la definición de términos.

CONSTANTES FíSICAS IMPORTANTES

Constantes

físicas

xix

importantes

Número de Avogadro Constante universal de los gases

N, = 6,022045 x 10z6 moléculas/kmol % = 1.545,35 ft . lbf/lbm . mol “R = 8.314,41 J/kmol. K = 1,986 Btu/lbm. mol . “R = 1,986 kcal/kmol . K

Constante de Planck

h = 6> 626176 x 1O-34 J-sec

Constante de Boltzman

k = 1,380662 x 10ez3 J/molécula.K = 8,6173 x 10p5 eV/molécula.K

Velocidad de la luz en el vacío

c=

x lo8 m/s

Aceleración estándar de la gravedad Masa del electrón

g = 31,174 ft/sZ = m, = 9,1095 x 10m31 kg

Carga del electrón

e = 1,602189 x lo-r9 C

Constante de Stefan-Boltzmann

0 = 0,1714 x lo-* Btu/hr.ft*. R4

1 atm

= 5,669 x 10m8 W/m2. K4 = 14,69595 lbf/in’ = 760 mmHg a 32 “ F = 29,92 inHg a 32 “ F = 2.116,21 Ibf/ft2 = 1,01325 x 10’ N/m2

CAPíTULO

1

INTRODUCCIÓN

La transferencia de calor es la ciencia que trata de predecir el intercambio de energía que puede tener lugar entre cuerpos materiales, como resultado de una diferencia de temperatura. La termodinámica enseña que esta transferencia de energía se define como calor. La ciencia de la transferencia de calor pretende no sólo explicar cómo la energía térmica puede ser transferida, sino tambien predecir la rapidez con la que, bajo ciertas condiciones específicas, tendrá lugar esa transferencia. El hecho de que el objetivo deseado del análisis sea la rapidez de la transferencia del calor, señala la diferencia entre la transferencia de calor y la termodinámica. La termodinámica trata sistemas en equilibrio; puede usarse para predecir la cantidad de energía requerida para llevar un sistema desde un estado de equilibrio a otro; no puede usarse, en cambio, para predecir lo rápido que será el cambio, ya que el sistema no está en equilibrio durante el proceso. La transferencia de calor complementa los principios primero y segundo de la termodinámica, al proporcionar leyes experimentales adicionales que se usan para establecer la rapidez de la transferencia de energía. Como en la ciencia de la termodinámica, las leyes experimentales usadas como base para la transferencia de calor son bastante simples y fácilmente extensibles, de modo que abarcan gran variedad de situaciones prácticas. Como un ejemplo de los diferentes tipos de problemas que son tratados por la termodinámica y por la transferencia de calor, considérese el enfriamiento de una barra de acero caliente que se introduce en un cubo con agua. La termodinámica puede utilizarse para predecir la temperatura final de equilibrio del conjunto barra de acero-agua. La termodinámica no dirá cuánto tiempo se tarda en alcanzar la condición de equilibrio. La transferencia de calor puede utilizarse para predecir la temperatura de la barra y del agua como función del tiempo.

La mayoría de los lectores estarán familiarizados con los términos usados para señalar los tres modos de transferir calor: conducción, convección y radiación. En este capítulo se trata de exponer de forma cualitativa los mecanismos de esos modos, de manera que cada uno se considere en su propia perspectiva. Los siguientes capítulos tratan los tres tipos de transferencia de calor en detalle.

1.1.

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN

Cuando en un cuerpo existe un gradiente de temperatura, la experiencia muestra que hay una transferencia de energía desde la región a alta temperatura hacia la región de baja temperatura. Se dice que la energía se ha transferido por conducción y que el flujo de calor por unidad de área es proporcional al gradiente normal de temperatura: 9 A

ax

Cuando se introduce la constante de proporcionalidad:

(1.1) donde q es el flujo de calor y es el gradiente de temperatura en la dirección del flujo de calor. La constante positiva k se llama conductividad térmica del material, y se ha puesto el signo menos para satisfacer el segundo principio de la termodinámica; esto es, el calor debe fluir hacia

2

TRANSFERENCIA DE CALOR

las temperaturas decrecientes, como se indica en el sistema de coordenadas de la Figura 1 .l. La Ec. (1.1) se llama ley de Fourier de la conducción de calor en honor al físico-matemático francés Joseph Fourier, quien hizo contribuciones muy importantes al tratamiento analítico de la transferencia de calor por conducción. Es importante señalar que la Ec. (1.1) es la ecuación que define la conductividad térmica y que k tiene las unidades de vatios por metro y por grado Celsius en un sistema de unidades en el que el flujo de calor se exprese en vatios.

FIGURA 1.2

Volumen elemental para el an&& de la conducción de calor unidimensional.

FIGURA 1.1

Diagrama que muestra la dire$ún del flujo de calor.

Estas cantidades de energía vienen dadas por: Energía que entra por la cara izquierda = 4, = Se plantea ahora el problema de determinar la ecuación básica que gobierna la transferencia de calor en un sólido, haciendo uso de la Ec. (1.1) como punto de partida. Considérese el sistema unidimensional mostrado en la Figura 1.2. Si el sistema está en régimen estacionario, esto es, si la...