Programa de Transmisión de Calor. Ingeniero Químico Pag. 1 de 6 Programa de Transmisión de Calor Cursos 2011-2012, 2012-2013, 2013-2014 Datos generales Centro E. S. de Ingenieros. Universidad de Sevilla. Titulación Ingeniero Químico Departamento Ingeniería Energética y Mecánica de Fluidos Área de Conocimiento Máquinas y Motores Térmicos Grupo Termotecnia Tipo de asignatura Obligatoria 2 er Curso (2º cuatrimestre) Créditos (Teóricos/Prácticos) 4.5 (3.75/0.75) Profesorado Objetivos D. Manuel Felipe Rosa Iglesias. Profesor Titular de Universidad. (responsable de la asignatura) La transmisión del calor es la parte de la física que estudia los procesos de transferencia de la energía térmica. Sus objetivos fundamentales son los siguientes: Presentar los principios básicos por los que se transfiere el calor por conducción convección y radiación. Planteamiento de ecuaciones de balance de energía que vinculen los flujos de calor con las temperaturas. Desarrollar la capacidad de comprensión de los fundamentos físicos, para facilitar el análisis del funcionamiento y diseño de todos aquellos equipos y procesos en los que se transfiere calor. Tratar abundantes aplicaciones de ingeniería para vincular los contenidos de la asignatura con la práctica profesional. Materias afines Resulta conveniente tener conocimientos básicos de física y matemáticas. En particular, la termodinámica, las ecuaciones diferenciales, la teoría de circuitos y la mecánica de fluidos deberían cursarse antes de la transmisión del calor. Dentro de la Ingeniería energética la transmisión de calor es una disciplina básica para el estudio de otras materias vinculadas con la tecnología energética como la generación de energía térmica, la tecnología frigorífica, la ingeniería de los procesos térmicos y las instalaciones térmicas en la edificación y la industria. 1
Programa de Transmisión de Calor. Ingeniero Químico Pag. 2 de 6 Criterios de evaluación La evaluación se realiza, fundamentalmente, mediante una prueba escrita en la que los alumnos se enfrentan a dos problemas de transmisión de calor multimodal, lo que permite evaluar su capacidad para el planteamiento y resolución de los mismos, y a varias cuestiones teórico-prácticas que evalúan la comprensión de de los conceptos fundamentales. La prueba escrita se aprobará con una calificación mayor o igual a 5.0 puntos, y en su desarrollo, se podrá disponer de la colección de tablas y gráficas (sin comentarios ni añadidos) y de una calculadora no programable. Contenidos temáticos Lección 1. Conceptos generales sobre transferencia de Calor 1. Introducción. 2. Generalidades de mecanismos de transferencia de calor. 3. Termodinámica y Transferencia de Calor. 4. Campos de aplicación. 5. Mecanismos básicos de transferencia de calor: Conducción, convección y radiación. 6. Balances superficiales y volumétricos. Lección 2. Mecanismos de transferencia de calor 1. Mecanismo de convección: Definición. Ley de Fourier. 2. Mecanismo de convección: Definición. Ley de enfriamiento de Newton. 3. Mecanismo de radiación: Definición. Ley de Stefan-Boltzmann. 4. Mecanismos combinados. Identificación de mecanismos. Mecanismos controlantes 5. Metodología general de resolución de problemas. Lección 3. Fundamentos de la Transferencia de calor por conducción. 1. Definición del mecanismo. 2. Campo térmico: Ley de Fourier. 3. Carácter vectorial de la densidad de flujo de calor. 4. Conductividad térmica. 5. Variación de la conductividad con la temperatura. 6. Ecuación de la energía. Lección 4. Conducción unidimensional en régimen permanente I 1. Ecuación general de difusión del calor. 2. Casos particulares de la ecuación general de transferencia. 3. Condiciones de contorno y unicidad. 4. Condición de contorno de temperatura impuesta, flujo impuesto y convectiva. 5. Convección múltiple simultaneas. 6. Condiciones de contorno en sistemas compuestos. Resistencia de contacto. Lección 5. Conducción unidimensional en régimen permanente II 1. Ecuación general de transferencia en régimen permanente. Condiciones de aplicabilidad 2
Programa de Transmisión de Calor. Ingeniero Químico Pag. 3 de 6 2. Sistemas elementales sin generación: placa plana, cilindro infinito, esfera. 3. Resistencia y conductancia térmica 4. Sistemas compuestos sin generación. Analogía eléctrica. Lección 6. Conducción unidimensional en régimen permanente III 1. Coeficiente global de transferencia de calor. 2. Tratamiento de la conductividad variable. 3. Sistemas con generación. 4. Metodología básica de resolución de problemas de conducción. Lección 7. Transferencia de calor en superficies extendidas 1. Introducción. Tipología de superficies extendidas y aplicaciones. 2. Ecuación general de aletas. 3. Aleta longitudinal recta de espesor constante: Solución aproximada. 4. Eficiencia de aletas. Flujo de calor en una superficie aleteada. 5. Diseño de aletas. Lección 8. Fundamentos de la transferencia de calor por convección 1. Introducción. Conceptos fundamentales. 2. Ecuaciones básicas: Continuidad, de movimiento y energía. 3. Ecuaciones básicas: Continuidad, cantidad de movimiento y energía. 4. Condiciones de unicidad. 5. Ecuación particular del mecanismo: Ley de enfriamiento de Newton. 6. Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección: Métodos analíticos, numéricos, experimentales y analógicos. Lección 9. Numéricos adimensionales y correlaciones empíricas en convección I 1. Adimensionalización de las ecuaciones básica. 2. Números adimensionales. 3. Significado físico de los números adimensionales. Lección 10. Numéricos adimensionales y correlaciones empíricas en convección II 1. Análisis experimental de problemas de convección. 2. Magnitudes de referencia. 3. Diferencia de temperatura de referencia. 4. Obtención de correlaciones empíricas. Lección 11. Numéricos adimensionales y correlaciones empíricas en convección III 1. Generalización de resultados. 2. Límites de aplicación. 3
Programa de Transmisión de Calor. Ingeniero Químico Pag. 4 de 6 3. Dependencia funcional del número de Nusselt con el tipo de fluido y condiciones de flujo. Lección 12. Capa límite viscosa y térmica 1. Concepto de capa límite viscosa y térmica. 2. Consideraciones sobre capa límite en transferencia de de calor. 3. Analogías de capa límite en régimen laminar. 4. Aspectos fundamentales del régimen turbulento. Lección 13. Convección forzada en flujo externo I 1. Números adimensionales y magnitudes de referencia. 2. Coeficientes de películas locales y medios. 3. Correlaciones para placa plana en régimen laminar y turbulento 4. Correlaciones para cilindros y esferas en régimen laminar y turbulento. 5. Correlaciones para bancos de tubo Lección 14. Convección forzada en flujo interno I 1. Números adimensionales y magnitudes de referencia 2. Región de entrada y región de flujo desarrollado. 3. Correlaciones para conductos circulares en régimen laminar y turbulento. 4. Correlaciones para conductos de sección no circular. 5. Correlaciones para conductos anulares Lección 15. Convección natural I 1. Números adimensionales y magnitudes de referencia. 2. Correlaciones para placa plana y cilindros verticales. 3. Correlaciones para placas planas horizontales y verticales. 4. Correlaciones para cilindros horizontales y esferas. 5. Correlaciones para flujo interno. Lección 16. Radiación.Definiciones y leyes. 1. Naturaleza de la radiación. Profundidad de penetración. 2. El espectro electromagnético y la radiación térmica. 3. Carácter espectral y direccional de la radiación. 4. Intercambios superficiales y volumétricos. 5. Objetivos del estudio de la radiación. Lección 17. Definiciones, leyes y propiedades radiantes superficiales I. 1. Intensidad y Luminancia. 2. Etapas para el cálculo de flujos radiantes en una superficie. 3. Emitancia, irradiación y radiosidad. Lección 18. Definiciones, leyes y propiedades radiantes superficiales II 1. El cuerpo Negro. 2. Leyes de Planck y de Wien. 3. Ley de Stefan-Boltzmann. Fracción de la emitancia comprendida en una banda. 4
Programa de Transmisión de Calor. Ingeniero Químico Pag. 5 de 6 4. Comportamiento de los cuerpos reales frente a la radiación. Lección 19. Definiciones, leyes y propiedades radiantes superficiales III 1. Emisividad: carácter espectral y direccional. 2. Absortividad, reflectividad y transmisividad. 3. Cuerpo Gris. 4. Cuerpos grises por bandas. 5. Ley de Kirchoff Lección 20. Intercambio radiante entre dos superficies y factores de forma. 1. Radiación que abandona una superficie y llega a otra. 2. Caso particular de irradiación difusa. Factor de forma. 3. Teorema de reciprocidad. 4. Algebra del factor de forma en recintos cerrados. 5. Evaluación mediante ábacos. 6. Método de Hottel Lección 21. Intercambio radiante recintos grises y difusos sin medio participativo. 1. Ecuaciones generales del intercambio radiante en recintos de superficies grises y difusas. 2. Cálculo de los flujos netos de calor. Formulación matricial. 3. Analogía eléctrica. 4. Casos particulares: superficies negras y superficies rerradiantes. 5. Metodología de resolución de problemas desacoplados en propiedades totales: Temperatura impuesta, flujo impuesto y caso mixto. Lección 22 Resolución de problemas acoplados de transferencia de calor. 1. Formulación general del problema de mecanismos combinados. 2. Identificación de variables de acoplamiento. 3. Tratamiento de no-linealidades. 4. Uso de temperaturas equivalentes. 5. Procedimientos iterativos. 6. Criterios de acotación. Bibliografía Fundamentos de transferencia de calor. F. P. Incropera y D. P. De Witt. Prentice Hall, 1999 Transferencia de calor. Yunus A. Cengel. MacGraw-Hill, 2004. Transferencia de Calor. J. P. Holman. MacGraw-Hill, 1998. Transferencia de Calor. A. F. Mills, Irwin 1994. Transmisión del calor. A. J. Chapman. Irwin, 1990. Publicaciones docentes Colección de transparencias de Transmisión de calor. Grupo de Termotecnia. E. S. Ingenieros de Sevilla. 5
Programa de Transmisión de Calor. Ingeniero Químico Pag. 6 de 6 Colección de tablas y gráficas y ecuaciones de Transmisión de calor. Grupo de Termotecnia. E. S. Ingenieros de Sevilla. Colección de problemas propuestos y resueltos de Transmisión de calor. Grupo de Termotecnia. E. S. Ingenieros de Sevilla. Página web de la asignatura 6