Programa docente de "TRANSMISIÓN DE CALOR Y FENÓMENOS DE TRANSPORTE"

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1 Programa docente de "TRANSMISIÓN DE CALOR Y FENÓMENOS DE TRANSPORTE" Curso académico 2008/2009 Datos administrativos de la Universidad Código de la materia Nombre de la materia Transmisión de calor y fenómenos de transporte Centro/ Titulación E.T.S. Ingenieros Industriales de Minas / Ingeniero de Minas Curso 3º Tipo (Libre, Troncal, Obligatoria, Optativa) Troncal Alumnos matriculados (totales) Alumnos nuevos Créditos aula/grupo (A) 4.5 Créditos laboratorio/grupo (L) 1.5 Créditos prácticas/grupo (P) Número grupos Aula 1 Número grupos Laboratorio 1 Número grupos Prácticas 1 Anual /Cuatrimestral Cuatrimestral Departamento Ingeniería Mecánica, Máquinas y Motores Térmicos y Fluidos Área de conocimiento Máquinas y Motores Térmicos Datos del Departamento PROFESORADO DE LA MATERIA (según el POD): Nombre profesor/a Código Créditos Tutorías (indicando A, L ou P) Jaime Sieres Atienza (A), 1.5 (L) Lugar: Despacho 219 (ETSII) Horario: Lunes 16:00-18:00 A: Aula. L: Laboratorio. P: Prácticas de 12.

2 Lugar y Horario de la materia Datos del centro Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes Aula M Aula M-213 Aula M Fecha de los exámenes oficiales de esta materia Convocatoria extraordinaria de diciembre: 11/12/2008 a las 18:00 en el aula M-213 Convocatoria ordinaria de febrero/junio: 29/01/2009 a las 16:00 en el aula M-213 Convocatoria extraordinaria de septiembre: 18/09/2009 a las 16:00 en el aula M-213 Tribunal extraordinario de esta materia Presidente: José Luis Míguez Tabarés Vocal: Laureano Guitián Bescansa Secretario: José Fernández Seara Suplente: Manuel Vázquez Vázquez de 12.

3 TEMARIO DE LA MATERIA Conocimientos previos: El alumno debería de dominar los conocimientos matemáticos impartidos en las asignaturas cursadas previamente, así como los impartidos en las asignaturas de física y termodinámica. Objetivo de la materia: Los objetivos de la asignatura son los siguientes: 1º. Introducir la transmisión de calor como una continuación de la termodinámica e indicar las características generales de los tres mecanismos básicos de transmisión de calor. 2º. El objetivo general del estudio de la transmisión de calor por conducción es el cálculo de las distribuciones de temperatura y el flujo de calor, tanto en régimen estacionario como transitorio. De forma práctica el objetivo es capacitar al alumno a enfrentarse con problemas habituales en ingeniería como aislamientos, o superficies aleteadas, en cuanto a régimen permanente, y con procesos de calentamiento o enfriamiento en régimen transitorio. 3º. El objetivo general del estudio de la convección es el cálculo de los coeficientes de película mediante el uso de las fórmulas y parámetros adimensionales comúnmente utilizados, estableciendo el tipo de convección de que se trata en las geometrías habituales en las aplicaciones prácticas. Por otra parte, un objetivo prioritario del estudio de la asignatura es familiarizar al alumno con los distintos tipos de intercambiadores de calor debido a su gran utilización, estableciendo claramente los métodos de cálculo, así como el cálculo iterativo del coeficiente global de transmisión de calor. 4º. Los objetivos que se pretenden con los temas dedicados a radiación son que el alumno conozca los conceptos básicos y las leyes fundamentales de este mecanismo, así como los métodos de cálculo del flujo de calor intercambiado en diversas configuraciones sencillas. 5º. Por último, también se considera como objetivo general el introducir los conceptos básicos sobre transferencia de masa haciendo hincapié en sus semejanzas y diferencias con los fenómenos de transmisión de calor de 12.

4 Horas totales A = 45 Número de Temas= 16 Temario de Aulas Tema Contenido Duración TEMA 1 INTRODUCCIÓN A LA TRANSMISIÓN DE CALOR 1. La transmisión de calor y la termodinámica 2. Mecanismos de transmisión del calor 3. Complejidad del fenómeno de transmisión del calor 4. Importancia del estudio de la transmisión de calor. Aplicaciones 1 h TEMA 2 CONCEPTOS Y PRINCIPIOS FUNDAMENTALES EN CONDUCCIÓN 1. Campo de temperaturas, líneas y superficies isotermas 2. Gradiente de temperatura 3. Calor, flujo de calor y densidad de flujo de calor 4. Ley de Fourier 5. Ecuación general de la transmisión de calor por conducción 5.1. Hipótesis 5.2. Deducción 5.3. Simplificaciones 6. Expresión de la ecuación general en otros sistemas de coordenadas 6.1. Coordenadas cilíndricas 6.2. Coordenadas esféricas 7. Condiciones de unicidad 7.1. Geométricas 7.2. Físicas 7.3. Iniciales 7.4. De contorno 8. Proceso general de solución de los problemas en conducción 9. Conductividad térmica y mecanismos de conducción 10. Variación de la conductividad térmica con la temperatura en los sólidos Sólidos homogéneos no-metales Los metales Sólidos no-homogéneos. Aislantes 11. Conductividad térmica en los líquidos y gases 12. Calor específico y densidad 13. Difusividad térmica TEMA 3 CONDUCCIÓN EN RÉGIMEN PERMANENTE UNIDIRECCIONAL 1. Régimen estacionario unidireccional 2. Pared plana infinita 2.1. Condiciones de contorno 2.2. Campo de temperaturas 2.3. Flujo de calor 2.4. Conductancia térmica 2.5. Resistencia térmica 3. Pared plana compuesta 4 h de 12.

5 3.1. Coeficiente global de transmisión de calor 3.2. Campo de temperaturas 4. Espesor económico óptimo de aislamiento 5. Cilindro infinito 5.1. Condiciones de contorno 5.2. Campo de temperaturas 5.3. Flujo de calor 5.4. Conductancia térmica 5.5. Resistencia térmica 6. Cilindro compuesto 6.1. Coeficiente global de transmisión de calor 6.2. Campo de temperaturas 7. Espesor crítico de aislamiento en tuberías 8. La esfera 8.1. Condiciones de contorno 8.2. Campo de temperaturas 8.3. Flujo de calor 8.4. Conductancia térmica 8.5. Resistencia térmica 9. Esfera compuesta 9.1. Coeficiente global de transmisión de calor 9.2. Campo de temperaturas 10. Espesor crítico de aislamiento en una esfera 11. La ecuación general para casos particulares Generación interna de calor Conductividad dependiente de la temperatura 12. Resistencia térmica de contacto 13. Analogía termo-eléctrica. TEMA 4 SUPERFICIES ADICIONALES O ALETAS 2. Tipos de aletas 3. Ecuación general de las aletas. Condiciones de contorno 4. Aletas de sección transversal constante 5. Flujo de calor disipado por una aleta 6. Aletas de sección transversal variable 6.1. Circulares 6.2. Triangulares 7. Eficiencia de las aletas 8. Eficiencia de una superficie aleteada 9. Flujo de calor disipado por una superficie aleteada 10. Resistencia térmica de una superficie aleteada 11. Efecto de la colocación de aletas rectas TEMA 5 CONDUCCIÓN EN RÉGIMEN PERMANENTE MULTIDIRECCIONAL 1. Régimen permanente en más de una dirección 2. Placas rectangulares 2.1. Solución de la ecuación diferencial 2.2. Condiciones de contorno 3. Principio de superposición 4. Cilindro de longitud finita de 12.

6 4.1. Solución de la ecuación diferencial 4.2. Condiciones de contorno 4.3. Soluciones gráficas 5. Factor de forma TEMA 6 CONDUCCIÓN EN RÉGIMEN TRANSITORIO 1. Régimen transitorio y parámetros adimensionales 2. Conducción transitoria en una placa infinita 2.1. Solución de la ecuación diferencial 2.2. Cambio brusco en la temperatura superficial 2.3. Cambio brusco de la temperatura de fluido que baña la placa 3. Conducción transitoria en cilindros infinitos 3.1. Solución de la ecuación diferencial 3.2. Cambio brusco de la temperatura superficial 3.3. Cambio brusco en la temperatura del fluido que rodea al cilindro 4. Sólido semiinfinito 5. Conducción en régimen transitorio en más de una dirección. Método del producto de soluciones 5.1. Validez del método del producto de soluciones 5.2. Distribuciones de temperaturas 5.3. Flujos de calor 6. Método de la capacidad térmica global 6.1. Hipótesis y campo de utilización 6.2. Temperatura y calor transmitido 6.3. Analogía con un sistema RC 4 h TEMA 7 MÉTODOS NUMÉRICOS 2. Método de diferencias finitas. Discretización del dominio y del tiempo 3. Método de las diferencias finitas en régimen permanente 3.1. Nudos interiores 3.2. Nudos del contorno y condiciones de contorno 4. Método de las diferencias finitas en régimen transitorio 4.1. Método explícito. Criterios de estabilidad 4.2. Método implícito 4.3. Método de Crank-Nicholson 4.4. Condiciones de contorno TEMA 8 CONCEPTOS Y PRINCIPIOS FUNDAMENTALES EN CONVECCIÓN 2. Tipos de convección 3. Planteamiento general del problema de convección 4. Conceptos básicos 4.1. Fluido 4.2. Fluido newtoniano 4.3. Viscosidad dinámica 4.4. Viscosidad cinemática 4.5. Capa límite hidráulica y capa límite térmica 2 h de 12.

7 4.6. Flujo laminar y turbulento, zona de transición, número de Reynolds 4.7. Ecuaciones generales 5. Análisis dimensional, magnitudes fundamentales y derivadas 6. Teorema π de Buckingham. Método de los Índices 7. Parámetros adimensionales. Significado físico 8. Coeficientes de convección: local, medio TEMA 9 CONVECCIÓN FORZADA Y CONVECCIÓN NATURAL 1. Parámetros adimensionales en convección forzada 2. Temperatura de cálculo de las propiedades del fluido 3. Convección forzada externa 3.1. Flujo paralelo a superficies planas 3.2. Flujo normal a un cilindro y otras formas geométricas 3.3. Flujo normal a un haz de tubos 3.4. Esferas 4. Convección forzada interna 4.1. Conductos circulares 4.2. Conductos de sección no circular 5. Parámetros adimensionales en convección natural 6. Convección natural en espacios ilimitados 6.1. Placas verticales 6.2. Placas horizontales 6.3. Cilindro vertical a temperatura constante 6.4. Cilindro horizontal a temperatura constante 6.5. Esferas a temperatura constante 7. Convección natural en espacios limitados 7.1. Cavidad rectangular 7.2. Cilindros y esferas concéntricos 8. Convección mixta TEMA 10 CONVECCIÓN CON CAMBIO DE FASE. CONDENSACIÓN Y EBULLICIÓN a la transmisión de calor con cambio de fase 2. Condensación. Tipos 2.1. Condensación pelicular 2.2. Condensación en gotas 3. Condensación en película sobre una pared vertical plana 3.1. Condensación en película laminar. Teoría de Nusselt 3.2. Condensación en película laminar ondulatoria y turbulenta 4. Condensación sobre tubos horizontales 5. Condensación sobre un haz de tubos 6. Condensación sobre superficies y tubos inclinados 7. Condensación sobre esferas 8. Condensación en convección forzada o condensación en flujo bifásico 9. Ebullición. Tipos 10. Ebullición en recipientes Curvas de Nukiyama Correlaciones de cálculo de coeficiente de convección 11. Ebullición en convección forzada o ebullición en flujo bifásico de 12.

8 TEMA 11 INTERCAMBIADORES DE CALOR 5 h 2. Clasificación general 3. Principales tipos de intercambiadores y sus características 4. Tipos de análisis de intercambiadores 5. Coeficiente global de transmisión de calor 5.1. Depósitos de suciedad 5.2. Superficies aleteadas 6. Resistencia térmica controlante 7. Distribución de temperaturas en los intercambiadores 7.1. Equicorriente y contracorriente 7.2. Otras disposiciones de flujo 7.3. Procesos de cambio de fase 8. Cálculo del flujo de calor intercambiado 8.1. Flujo paralelo. Diferencia de temperaturas logarítmica media 8.2. Otras configuraciones. Factor de corrección F 9. Método de la diferencia de temperaturas logarítmica media (DTLM) 9.1. Proceso general de aplicación del método 9.2. Campo de utilización y limitaciones 10. Método de la eficiencia-número de unidades de transferencia (ε-n.t.u.) Definición de coeficiente de capacidad (CR), número de unidades de transferencia (NTU) y eficiencia de un intercambiador (ε) Relaciones ε = f (CR,NTU) Proceso general de aplicación del método 11. Comparación entre los métodos DTLM y ε-n.t.u. Planteamiento general de los problemas 12. Cálculo del coeficiente global de transmisión de calor Planteamiento del problema Cálculo mediante procesos iterativos 13. Método general de cálculo de un intercambiador por procesos iterativos 14. Recuperadores con pérdidas de calor 15. Recuperadores con un solo fluido. TEMA 12 CONCEPTOS Y PRINCIPIOS FUNDAMENTALES EN RADIACIÓN 2. La radiación térmica 3. Conceptos básicos en el proceso de intercambio de energía radiante 3.1. Ley de Prevost 3.2. Intensidad de radiación 3.3. Emitancia 3.4. Radiosidad e irradiación 4. Proceso de intercambio de energía radiante 5. El cuerpo negro 5.1. Intensidad de radiación de un cuerpo negro 5.2. Ley de Stefan-Bolztmann 5.3. Ley de Planck 5.4. Ley de Wien 5.5. Ley del desplazamiento de Wien 6. Ley de Lambert. Superficies mates o difusas. 7. Emisividad (Coeficiente de emisión) 8. Absortividad (Coeficiente de absorción) 9. Reflectividad (Coeficiente de reflexión) de 12.

9 10. Transmitividad (Coeficiente de transmisión) 11. Superficie gris. Generalización de la Ley de Stefan-Boltzman 12. Ley de Kirchoff 13. Superficies reales TEMA 13 FACTORES DE FORMA 1. Concepto de factor de forma 2. Factor de forma entre dos superficies 2.1. Superficies elementales. Teorema de reciprocidad 2.2. Superficie elemental y superficie finita 2.3. Entre superficies finitas 3. Factores de forma en un recinto cerrado 4. Cálculo de los factores de forma 4.1. Método analítico, tablas, numéricos y empíricos 4.2. Algebra de los factores de forma 4.3. Extensión del teorema de la reciprocidad 4.4. Eliminación de superficies cóncavas 4.5. Método de Hottel 1 h TEMA 14 INTERCAMBIO DE CALOR POR RADIACIÓN EN MEDIO NO PARTICIPANTE 2. Balance de energía radiante en una superficie cualquiera 3. Intercambio de calor entre superficies negras 4. Métodos de cálculo del intercambio de calor en un recinto cerrado 4.1. Hipótesis simplificativas 4.2. Método de la reflexión 4.3. Método matricial o de Gebhart 4.4. Método de la analogía eléctrica, de Oppenheim o Network 4.5. Campo de utilización de los distintos métodos 2 h TEMA 15 INTERCAMBIO DE CALOR POR RADIACIÓN EN MEDIO PARTICIPANTE 2. Absorción volumétrica monocromática en un gas. Ley de Beer 3. Comportamiento real de un medio participante 3.1. Bandas de radiación 3.2. Longitud efectiva 3.3. Emisividad global y absorción de gases participantes 3.4. Emisividad en llamas luminosas 4. Flujo de calor intercambiado en un recinto con N superficies negras y un gas participante. Radiación en hornos y calderas 5. Radiación solar 5.1. La radiación solar como radiación térmica 5.2. Convertidores térmicos de energía solar 2 h TEMA 16 INTRODUCCIÓN A LA TRANSFERENCIA DE MASA de 12.

10 . Tipos de procesos de transferencia de masa 2. Transferencia de masa por difusión 2.1. Concepto de difusión 2.2. Ley de Fick. Difusividad 2.3. Ecuación general de transferencia de masa 3. Transferencia de masa por convección 3.1. Coeficiente de transferencia de masa 3.2. Capa límite de concentración. Planteamiento general del cálculo del coeficiente de transferencia de masa 3.3. Análisis dimensional. Parámetros adimensionales 3.4. Analogía entre la transmisión de calor y la transferencia de masa 3.5. Flujo turbulento. Difusividades de Eddy 4. Descripción de diversos procesos industriales con transferencia de masa de 12.

11 Horas totales L = 15 Número de prácticas L = 8 Temario de Laboratorio Práctica Contenido Duración Práctica 1 Medida de temperatura 2 h Práctica 2 Cálculo de la conductividad térmica en placas 2 h Práctica 3 Cálculo de la conductividad térmica en barras 2 h Práctica 4 Método de la capacidad térmica global 2 h Práctica 5 Cálculo de coeficientes de convección con el programa COEFCONV 2 h Práctica 6 Visualización de imágenes y animaciones 2 h Práctica 7 Ley de Stefan-Boltzmann 2 h Práctica 8 Factores de forma entre superficies elementales de 12.

12 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: Básicas (máximo 3) 1. Fernández Seara J., Sieres Atienza J., Uhía Vizoso F. J., Manual de prácticas de transmisión de calor. Editorial GAMESAL, Vigo, Fernández Seara J., Rodríguez Alonso C., Uhía Vizoso F. J., Sieres Atienza J., Coeficientes de convección en casos prácticos. Correlaciones y programa de cálculo. Editorial Ciencia 3, Madrid, Chapman A.J., Transmisión de calor, Editorial Librería Editorial Bellisco, Madrid, 3ª Edición, Complementarias (máximo 4) 4. Incropera F.P., Dewitt D.P., Fundamentals of heat and mass transfer, Editorial John Wiley & Sons, New York, 4ª Edición, Mills A.F., Transferencia de calor, Editorial Irwin, Madrid, Lienhard IV J.H., Lienhard V J.H., A., A heat transfer textbook, Phlogiston Press, Cambridge, v. 1.23, 2005 ( ). 7. Holman J.P., Transferencia de calor, Editorial Mc Graw Hill, Madrid, 8ª Edición, MÉTODO DOCENTE Y SISTEMA DE EVALUACIÓN: Pruebas parciales o de control. No se realizarán pruebas parciales. Tipo de Evaluaciones: Evaluación de la docencia de Aulas: Se realizará mediante un examen compuesto de una parte de teoría y otra de problemas. Se realiza 1 examen. Consta de 3 partes: serie de preguntas teóricas y la resolución de problemas y una tercera parte correspondiente a contenidos específicos tratados en las clases de laboratorio. Evaluación de la docencia de Laboratorios: Se realizará mediante un examen correspondiente a contenidos específicos tratados en las clases de laboratorio Criterios de evaluación: En el examen se valorará de forma independiente la parte de teoría, problemas y prácticas de laboratorio. La nota final será la suma de las obtenidas en las distintas partes de 12.

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