Transferencia de Calor y Masa Yunus Cengel Tercera Edicion PDF

Preview

Summary

Cengel_Indiceynomenclatura.qxd 1/4/07 5:01 PM Page 904 Cengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page i DIMENSIÓN MÉTRICA MÉTRICA/INGLESA Volumen específico 1 m /kg  1 000 L/kg 3 1 m3/kg  16.02 ft3/lbm  1 000 cm3/g 1 ft3/lbm  0.062428 m3/kg Temperatura T(K)  T(°C)  273.15 T(R)  T(°F)  459.67  1.8T(K) T(...

Description

Cengel_Indiceynomenclatura.qxd

1/4/07

5:01 PM

Page 904

Cengel-Prel

1/4/07

3:23 PM

DIMENSIÓN

Page i

MÉTRICA

MÉTRICA/INGLESA

Volumen específico

1 m /kg  1 000 L/kg  1 000 cm3/g

1 m3/kg  16.02 ft3/lbm 1 ft3/lbm  0.062428 m3/kg

Temperatura

T(K)  T(°C)  273.15 T(K)  T(°C)

T(R)  T(°F)  459.67  1.8T(K) T(°F)  1.8 T(°C)  32 T(°F)  T(R)  1.8* T(K)

Conductividad térmica

1 W/m · °C  1 W/m · K

1 W/m · °C  0.57782 Btu/h · ft · °F

Resistencia térmica

1°C/W  1 K/W

1 K/W  0.52750°F/h · Btu

Velocidad

1 m/s  3.60 km/h

1 m/s  3.2808 ft/s  2.237 mi/h 1 mi/h  1.46667 ft/s 1 mi/h  1.609 km/h

Viscosidad dinámica

1 kg/m · s  1 N · s/m2  1 Pa · s  10 poise

1 kg/m · s  2 419.1 lbf/ft · h  0.020886 lbf · s/ft2  5.8016  106 lbf · h/ft2

Viscosidad cinemática

1 m2/s  104 cm2/s 1 stoke  1 cm2/s  104 m2/s 1 m3  1 000 L  106 cm3 (cc)

1 m2/s  10.764 ft2/s  3.875  104 ft2/h 1 m2/s  10.764 ft2/s 1 m3  6.1024  104 in3  35.315 ft3  264.17 gal (E.U.) 1 galón E.U.  231 in3  3.7854 L 1 onza fluida  29.5735 cm3  0.0295735 L 1 galón E.U.  128 onzas fluidas

Volumen

3

Algunas constantes físicas Constante universal de los gases

Ru  8.31447 kJ/kmol · K  8.31447 kPa · m3/kmol · K  0.0831447 bar · m3/kmol · K  82.05 L · atm/kmol · K  1.9858 Btu/lbmol · R  1 545.35 ft · lbf/lbmol · R  10.73 psia · ft3/lbmol · R

Aceleración estándar de la gravedad

g  9.80665 m/s2  32.174 ft/s2

Presión atmosférica estándar

1 atm  101.325 kPa  1.01325 bar  14.696 psia  760 mmHg (0°C)  29.9213 inHg (32°F)  10.3323 mH2O (4°C)

Constante de Stefan-Boltzmann

s  5.6704  108 W/m2 · K4  0.1714  108 Btu/h · ft2 · R4

Constante de Boltzmann

k  1.380650  1023 J/K

Velocidad de la luz en vacío

c  2.9979  108 m/s  9.836  108 ft/s

Velocidad del sonido en aire seco a 0°C y 1 atm

C  331.36 m/s  1 089 ft/s

Calor de fusión del agua a 1 atm

hif  333.7 kJ/kg  143.5 Btu/lbm

Calor de vaporización del agua a 1 atm

hfg  2 257.1 kJ/kg  970.4 Btu/lbm

Cengel-Prel

1/4/07

3:23 PM

Page ii

Cengel-Prel

1/4/07

3:23 PM

Page iii

TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA UN ENFOQUE PRÁCTICO

Cengel-Prel

1/4/07

3:23 PM

Page iv

Cengel-Prel

1/4/07

3:23 PM

Page v

TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA UN ENFOQUE PRÁCTICO

YUNUS A. ÇENGEL University of Nevada, Reno

Revisor técnico Sofía Faddeeva Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Estado de México

MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • LISBOA MADRID • NUEVA YORK • SAN JUAN • SANTIAGO AUCKLAND • LONDRES • MILÁN • MONTREAL • NUEVA DELHI SAN FRANCISCO • SINGAPUR • SAN LUIS • SIDNEY • TORONTO

Cengel-Prel

1/4/07

3:23 PM

Page vi

Director Higher Education: Miguel Ángel Toledo Castellanos Director Editorial: Ricardo del Bosque Alayón Editor sponsor: Pablo Eduardo Roig Vázquez Editora de desarrollo: Ana Laura Delgado Rodríguez Supervisor de producción: Zeferino García García Traducción: José Hernán Pérez Castellanos Javier Enríquez Brito

TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA. Un enfoque práctico

Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS © 2007, respecto a la tercera edición en español por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Edificio Punta Santa Fe Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón C.P. 01376, México, D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736 ISBN-13: 978-970-10-6173-2 ISBN-10: 970-10-6173-X Traducido de la tercera edición de: Heat and Mass Transfer. A Practical Approach Copyright © 2007 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. ISBN-13: 978-0-07-312930-3 ISBN-10: 0-07-312930-5 1234567890

09865432107

Impreso en México

Printed in Mexico

Cengel-Prel

1/4/07

3:23 PM

Page vii

ACERCA

DEL AUTOR

Yunus A. Çengel es profesor de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Nevada en Reno. Recibió su grado de doctor en Ingeniería Mecánica en la Universidad Estatal de Carolina del Norte en 1984. Sus áreas de investigación son la energía renovable, la desalinización, el análisis de la energía, el mejoramiento de la transferencia de calor, la transferencia de calor por radiación y la conservación de la energía. Ha fungido como director del Industrial Assessment Center (IAC) en la Universidad de Nevada en Reno, de 1996 a 2000. Ha conducido equipos de estudiantes de ingeniería a numerosas instalaciones industriales en el norte de Nevada y California para efectuar evaluaciones industriales y ha preparado informes sobre conservación de la energía, minimización de los desechos y mejoramiento de la productividad para ellas. El doctor Çengel es el coautor de libros de texto ampliamente aceptados. Termodinámica: una aproximación a la ingeniería (2002), ahora en su cuarta edición, y Fundamentos de ciencias de termofluidos (2001), los dos publicados por McGraw-Hill. También es autor del libro de texto Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer (1997) publicado por McGraw-Hill. Algunos de sus libros de texto han sido traducidos al chino, japonés, coreano, español, turco, italiano y griego. El doctor Çengel ha recibido varios premios sobresalientes en el ámbito de la enseñanza. Recibió el premio ASEE Meriam/Wiley como autor distinguido en 1992 y, una vez más, en 2000. El doctor Çengel es ingeniero profesional registrado en el estado de Nevada y es miembro de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME, por sus siglas en inglés) y la Sociedad Estadounidense para la Educación en Ingeniería (ASEE, por sus siglas en inglés).

Cengel-Prel

1/4/07

3:23 PM

Page viii

CONTENIDO CAPÍTULO

BREVE

UNO

INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS

CAPÍTULO

1

DOS

ECUACIÓN DE LA CONDUCCIÓN DE CALOR

61

CAPÍTULO TRES CONDUCCIÓN DE CALOR EN ESTADO ESTACIONARIO

CAPÍTULO

C U AT R O

CONDUCCIÓN DE CALOR EN RÉGIMEN TRANSITORIO

CAPÍTULO

503

DIEZ

EBULLICIÓN Y CONDENSACIÓN

CAPÍTULO

561

ONCE

INTERCAMBIADORES DE CALOR

CAPÍTULO

451

NUEVE

CONVECCIÓN NATURAL

CAPÍTULO

395

OCHO

CONVECCIÓN INTERNA FORZADA

CAPÍTULO

355

SIETE

CONVECCIÓN EXTERNA FORZADA

CAPÍTULO

285

SEIS

FUNDAMENTOS DE LA CONVECCIÓN

CAPÍTULO

217

CINCO

MÉTODOS NUMÉRICOS EN LA CONDUCCIÓN DE CALOR

CAPÍTULO

131

609

DOCE

FUNDAMENTOS DE LA RADIACIÓN TÉRMICA

663

CAPÍTULO TRECE TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN

CAPÍTULO

C AT O R C E

TRANSFERENCIA DE MASA

APÉNDICE

709

773

1

TABLAS Y DIAGRAMAS DE PROPIEDADES (SISTEMA INTERNACIONAL)

APÉNDICE

2

TABLAS Y DIAGRAMAS DE PROPIEDADES (SISTEMA INGLÉS)

viii

869

841

Cengel-Prel

1/4/07

3:23 PM

Page ix

CONTENIDO

Prefacio xv

Transferencia de calor multidimensional 64 Generación de calor 66

2-2

CAPÍTULO

UNO

INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS 1-1

1-2

Termodinámica y transferencia de calor 2

2-3

Transferencia de calor en la ingeniería 4 Elaboración de modelos en la transferencia de calor

1-3

Calor y otras formas de energía 6

1-5 1-6

2-4

Mecanismos de transferencia de calor 17 Conducción

17

Convección 25

1-8

Radiación 27

1-9

Mecanismos simultáneos de transferencia de calor 30

1-10 Técnica de resolución de problemas 35 Software para ingeniería 37 Solucionador de ecuación de ingeniería o Engineering Equation Solver (EES) 38 Una observación sobre las cifras significativas 39 Tema de interés especial: Comodidad térmica 40

Resolución de problemas unidimensionales de conducción de calor en estado estable 86

2-6 2-7

Generación de calor en un sólido 97

DOS

Introducción 62 Transferencia de calor estable en comparación con la transferencia transitoria 63

104

Resumen 111 Bibliografía y lecturas sugeridas 112 Problemas 113

CAPÍTULO TRES CONDUCCIÓN DE CALOR EN ESTADO ESTACIONARIO 131 3-1 Conducción de calor en estado estable en paredes planas 132 El concepto de resistencia térmica 133 Red de resistencias térmicas 135 Paredes planas de capas múltiples 137

3-2 3-3

Resistencia térmica por contacto 142

3-4

Conducción de calor en cilindros y esferas 150

ECUACIÓN DE LA CONDUCCIÓN DE CALOR 61 2-1

Conductividad térmica variable, k(T)

Tema de interés especial: Un breve repaso de las ecuaciones diferenciales 107

Resumen 46 Bibliografía y lecturas sugeridas 47 Problemas 47

CAPÍTULO

Condición de frontera de temperatura específica 78 Condición de frontera de flujo específico de calor 79 Condición de convección de frontera 81 Condición de radiación de frontera 82 Condiciones de frontera en la interfase 83 Condiciones de frontera generalizadas 84

2-5

Conductividad térmica 19 Difusividad térmica 23

1-7

Condiciones de frontera e iniciales 77 1 2 3 4 5 6

Primera ley de la termodinámica 11 Balance de energía para sistemas cerrados (masa fija) 12 Balance de energía para sistemas de flujo estacionario 12 Balance de energía en la superficie 13

Ecuación general de conducción de calor 74 Coordenadas rectangulares 74 Coordenadas cilíndricas 75 Coordenadas esféricas 76

5

Calores específicos de gases, líquidos y sólidos 7 Transferencia de la energía 9

1-4

Ecuación de la conducción de calor en una pared plana grande 68 Ecuación de la conducción de calor en un cilindro largo 70 Ecuación de la conducción de calor en una esfera 71 Ecuación unidimensional combinada de la conducción de calor 72

1

Áreas de aplicación de la transferencia de calor 3 Fundamentos históricos 3

Ecuación unidimensional de la conducción de calor 68

Redes generalizadas de resistencias térmicas 147 Cilindros y esferas con capas múltiples 152

3-5

Radio crítico de aislamiento 156 ix

Cengel-Prel

1/4/07

3:23 PM

Page x

x CONTENIDO

3-6

Transferencia de calor desde superficies con aletas 159 Ecuación de la aleta 160 Eficiencia de la aleta 164 Efectividad de la aleta 166 Longitud apropiada de una aleta 169

3-7

5-3

Condiciones de frontera 294

5-4

5-5

Tema de interés especial: Control del error numérico 329

C U AT R O

CONDUCCIÓN DE CALOR EN RÉGIMEN TRANSITORIO 217 4-1

Conducción de calor en régimen transitorio en paredes planas grandes, cilindros largos y esferas con efectos espaciales 224 Problema de conducción transitoria unidimensional, en forma adimensional 225

4-3

Resumen 333 Bibliografía y lecturas sugeridas 334 Problemas 334

Análisis de sistemas concentrados 218 Criterios para el análisis de sistemas concentrados 219 Algunas observaciones sobre la transferencia de calor en sistemas concentrados 221

4-2

CAPÍTULO 6-1

Mecanismo físico de la convección 356 Número de Nusselt 358

6-2

Conducción de calor en régimen transitorio en sólidos semiinfinitos 240

Clasificación de los flujos de fluidos 359 Región viscosa en comparación con la no viscosa 359 Flujo interno en comparación con el externo 359 Flujo compresible en comparación con el incompresible 360 Flujo laminar en comparación con el turbulento 360 Flujo natural (o no forzado) en comparación con el forzado 360 Flujo estacionario en comparación con el no estacionario 361 Flujos unidimensional, bidimensional y tridimensional 361

Conducción de calor en régimen transitorio en sistemas multidimensionales 248 Tema de interés especial: Refrigeración y congelación de alimentos 256 Resumen 267 Bibliografía y lecturas sugeridas 269 Problemas 269

SEIS

FUNDAMENTOS DE LA CONVECCIÓN 355

Contacto de dos sólidos semiinfinitos 245

4-4

Conducción de calor en régimen transitorio 311 Conducción de calor en régimen transitorio en una pared plana 313 Conducción bidimensional de calor en régimen transitorio 324

Resumen 189 Bibliografía y lecturas sugeridas 191 Problemas 191

CAPÍTULO

Conducción bidimensional de calor en estado estacionario 302 Nodos frontera 303 Fronteras irregulares 307

Transferencia de calor en configuraciones comunes 174 Tema de interés especial: Transferencia de calor a través de paredes y techos 179

Conducción unidimensional de calor en estado estacionario 292

6-3

Capa límite de la velocidad 362 Esfuerzo cortante superficial 363

CAPÍTULO

CINCO

6-4

Capa límite térmica 364 Número de Prandtl

365

MÉTODOS NUMÉRICOS EN LA CONDUCCIÓN DE CALOR 285

6-5

5-1

6-6

Transferencia de calor y de cantidad de movimiento en el flujo turbulento 367

6-7

Deducción de las ecuaciones diferenciales de la convección 369

¿Por qué los métodos numéricos? 286 1 2 3 4 5

5-2

Limitaciones 287 Una mejor elaboración de modelos 287 Flexibilidad 288 Complicaciones 288 Naturaleza humana 288

Formulación en diferencias finitas de ecuaciones diferenciales 289

Flujos laminar y turbulento 365 Número de Reynolds 366

Ecuación de la conservación de la masa 370 Las ecuaciones de la cantidad de movimiento 370 Ecuación de la conservación de la energía 372

Cengel-Prel

1/4/07

3:23 PM

Page xi

xi CONTENIDO

6-8

6-9

Soluciones de las ecuaciones de convección para una placa plana 376

8-3

La ecuación de la energía 378

8-4

Longitudes de entrada 457

Ecuaciones adimensionales de la convección y semejanza 380

6-10 Formas funcionales de los coeficientes de fricción y de convección 381 6-11 Analogías entre la cantidad de movimiento y la transferencia de calor 382

CAPÍTULO

8-5

8-6

SIETE

Fuerza de resistencia al movimiento y transferencia de calor en el flujo externo 396

Tema de interés especial: Flujo de transición en tubos 482

CAPÍTULO

NUEVE

CONVECCIÓN NATURAL 503

Flujo a través de cilindros y esferas 408 Efecto de la aspereza de la superficie 410 Coeficiente de transferencia de calor 412

7-4

Resumen 490 Bibliografía y lecturas sugeridas 491 Problemas 492

Flujo paralelo sobre placas planas 399 Coeficiente de fricción 400 Coeficiente de transferencia de calor 401 Placa plana con tramo inicial no calentado 403 Flujo uniforme de calor 403

7-3

Flujo turbulento en tubos 473 Superficies ásperas 475 Desarrollo del flujo turbulento en la región de entrada 476 Flujo turbulento en tubos no circulares 476 Flujo por la sección anular entre tubos concéntricos 477 Mejoramiento de la transferencia de calor 477

Resistencia al movimiento debida a la fricción y la presión 396 Transferencia de calor 398

7-2

Flujo laminar en tubos 463 Caída de presión 465 Perfil de temperatura y el número de Nusselt 467 Flujo de calor en la superficie 467 Temperatura superficial constante 468 Flujo laminar en tubos no circulares 469 Desarrollo del flujo laminar en la región de entrada 470

CONVECCIÓN EXTERNA FORZADA 395 7-1

Análisis térmico general 458 Flujo constante de calor en la superficie (q·s  constante) 459 Temperatura superficial constante (Ts  constante) 460

Tema de interés especial: Transferencia de calor a microescala 385 Resumen 388 Bibliografía y lecturas sugeridas 389 Problemas 390

La región de entrada 455

Flujo a través de bancos de tubos 417

9-1 9-2

Caída de presión 420

Mecanismo físico de la convección natural 504 Ecuación del movimiento y el número de Grashof 507 El número de Grashof 509

Tema de interés especial: Reducción de la transferencia de calor a través de superficies: aislamiento térmico 423

9-3

Placas verticales (Ts  constante) 512 Placas verticales (q·s  constante) 512 Cilindros verticales 512 Placas inclinadas 512 Placas horizontales 513 Cilindros horizontales y esferas 513

Resumen 434 Bibliografía y lecturas sugeridas 435 Problemas 436

9-4

CAPÍTULO

OCHO

Introducción 452 Velocidad y temperatura promedios 453 Flujos laminar y turbulento en tubos 454

Convección natural desde superficies con aletas y PCB 517 Enfriamiento por convección natural de superficies con aletas (Ts  constante) 517 Enfriamiento por convección natural de PCB verticales (q·s  constante) 518 Gasto de masa por el espacio entre placas 519

CONVECCIÓN INTERNA FORZADA 451 8-1 8-2

Convección natural sobre superficies 510

9-5

Convección natural dentro de recintos cerrados 521

Cengel-Prel

1/4/07

3:23 PM

Page xii

xii CONTENIDO Conductividad térmica efectiva 522 Recintos cerrados rectangulares horizontales 523 Recintos cerrados rectangulares inclinados 523 Recintos cerrados rectangulares verticales 524 Cilindros concéntricos 524 Esferas concéntricas 525 Convección natural y radiación combinadas 525

9-6

Convección natural y forzada combinadas 530 Tema de interés especial: Transferencia de calor a través de ventanas 533 Resumen 543 Bibliografía y lecturas sugeridas 544 Problemas 546

CAPÍTULO

DIEZ

11-4 Método de la diferencia de temperatura media logarítmica 622 Intercambiadores de calo...