1. Factores de conversin DIMENSIN Aceleracin rea Densidad Energa, calor, trabajo, energa interna, entalpa MTRICA 1 mIs' = 100 cmls' I m='- = 104 cm2 = 106 ITIm2 10-6 km' 1 g/cm' = 1 kglL = 1 000 kglm' 1 kJ = 1 000 J = 1 000 Nm = 1 kPa m' 1 k.T/kg = 1 000 m'ls' 1 kWh = 3600kJ 1 cal' = 4.184 J 1 IT cal! = 4.1868 J 1 Cal' = 4. 1868 kJ Fuerza 1 N = 1 kg . mIs' = 10' dina 1 kgf = 9.80665 N Flujo de calor 1 W/cm' = 10' W/m' Rapidez de genera- 1 W/cm' = 10" W/mJ cin de calor Coeficiente de trans- 1 W1m' . oC = 1 W1m' . K fere ncia de calor Longitud Masa 1 m = 100 cm = 1 000 mm Ikm = IOOO m 1 kg = 1 000 g 1 tonelada mtrica = 1 000 kg ~ Factor de conversin exacto entre unidades mtricas e inglesas. MTRICA/INGLESA 1 mIs' = 3.2808 ftls' 1 ftis' = 0.3048* mIs' 1 m' = 1 550 in' = 10.7641"t' 1 ft' = 144 in' = 0.09290304* m' 1 g/cm3 = 62.428 Ibm/ft3 = 0.036127 Ibm/inJ 1 Ibm/in' = 1 728 lbmlft' 1 kg/m3 = 0.062428 Ibmlft' 1 kJ = 0.94782 Btu 1 Btu = 1.055056 kJ = 5.40395 psia . ft' = 778. 169 Ibf ft 1 Btullbm = 25 037 ft'/s' = 2.326* kJlkg 1 kJ/kg = 0.430 Btu/lbm 1 kWh = 3412.14 Btu 1 therm = lO' Btu = 1.055 X 105 kJ (gas natural) 1 Ibf = 32. 174 Ibm . ftis' = 4.-+-1822 N 1 N = 0.22481 Ibf 1W/m' = 0.3171 Btulh ft' I W/m' = 0.09665 Btulh . ft' 1W/m' oC = 0.17612 Btulh ft' F 1 m = 39.370 in = 3.2808 ft = 1.0926 yd 1 ft = 12 in = 0.3048* m 1 milla = 5 280 ft = 1.6093 km 1 in = 2.54* cm 1 kg = 2.2046226 Ibm 1 Ibm = 0.45359237* kg l anza = 28.3495 g 1 slug = 32.174 Ibm = 14.5939 kg 1 tonelada cOJ1a = 2 000 Ibm = 907.1847 kg I Originalmente, la calora se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 9 de agua en 1C, pero vara con la presin. La calora de la labia internacional de vapor de agua (IT) (preferida en general por los ingenieros) es, por definicin, exactamente 4,1868 J Ycorresponde al calor especfico del agua a 15C. La calorla termodinmica (generalmente preferida por los fsicos) es, por definicin, exactamente igual a 4. 184 J Y corresponde al calor especifico del agua a la temperatura ambiente. La diferencia entre las dos es alrededor del 0.06%, lo cual es despreciable. La Calora, con letra inicial mayscula, que usan los especialistas en nutricin en realidad es una kilocalorla (1 000 caloras IT)

2. IDIMSHSJH Potencia. rapidez de transferencia de calor Presin Calor especfico Volumen especfico Temperatura Conductividad trmica Resistencia trmica Velocidad IHTRICA IW - IJ/s I kW ~ I ()()()W ~ 1.341 hp I hpt = 745.7 W IPa = IN/m2 1 kPa = 103 Pa = 10- 3 MPa I atm = 101.325 kPa = 1.01 325 bars =760 mmHg a OC = 1.03323 kgflcm2 I mmHg =0.1333 kPa I kJlkg . oC ~ I kJlkg . K = IJ/g 'oC I m3/kg = I 000 Ukg = 1000 cm]/g T(K) ~ T(C) + 273.15 AT(K) ~ AT('C) 1 W/m oC = 1W/m K oC/W = I K/W I mis ~ 3.60 kmih Viscosidad dinmica 1 kglm . s = IN slm2 = I Pa . s = 10 poise Viscosidad cinemtica I m2/s = 10" cm2/s I stoke = 1 cm2fs = 10- 4 m2/s Volumen I m) = I 000 L = 111 cm3 (ce) Factor exacto ele conVefSII'I entre unidades mtricas e inglesas I kW - 3 412.14 Btu/h = 737.561bf rt/s I hp =550 Ibf . ftls = 0.7068 Btuls =42.41 Slu/min =2544.5 Blulh ~ 0.74570kW I hp de caldera = 33 475 Blulh I BluIh ~ 1.055056 kJlh I tonelada de refrigeracin = 200 Blu/min I Pa = 1.4504 X 10- 4 psia ~ 0.020886 Ibflft' 1 psia ::: 1441bf/ft2 = 6.894757 kPa I alm = 14.696 psia = 29.92 inHg a 300F 1 inHg = 3.387 kPa I Btullbm F = 4.1868 kJlkg oC I Btullbmol R = 4.1868 kJlkmol K I kJ/kg . oC = 0.23885 Btullbm . F = 0.23885 Btullbm . R I m3/kg = 16.02 ft1/lbm I ftJllbm = 0.062428 m3/kg T(R) ~ T('F) + 459.67 ~ 1.8T(K) T('F) ~ 1.8 T(0C) + 32 AT(OF) ~ AT(R) ~ 1.8' AT(K) 1W/m oC = 0.57782 Btulh ft . 0p 1 KJW = 0.52750FIh . Bto 1 mis =3.2808 ftls = 2.237 miIh I miIh = 1.46667 ftls I milh = 1.609 kmlh I kglm s = 2419.llbf/ft h ~ 0.020886 Ibf slft' = 5.8016 x 10- 6 Ibf hlft2 I m2/s = 10.764 ft2/s = 3.875 x lO" ft2/h t m1/s = 10.764 ft2/s I ml = 6.1024 X 10" in3 = 35.315 frl ~ 264.17 gal (U.S.) 1 galn E.U. = 23 [ in3 = 3.7854 L I onza fluida = 29.5735 cm) = 0.0295735 L I galn E.U. = 128 onzas fluidas ; Caballo de potenCia mecmco. El caballo de potencia elctflco se lorna exactamente como 746 W I 3. TRANSFERENCIA DE CALOR SEGUNDA EDICiN 4. I TRANSFERENCIA DE CALOR ngel Hemndez Fer"'ndez Departamento de Ingenierla Mectlmca Escuela Supenor de Ingeneria Mecnica '1 ElktriC3. Unidad Culhuilcn Instituto Politcnico Nacional Luis G. RIos tasas Jefe del Departamento de Ingenierla Qulmlca y Alimentos UniverSidad de las Amricas, Puebla YUNUS A. CENGEl University 01 Nevada, Reno Traduccin Jos Hernn Prez Traductor profesional Revisin tcnica Biilen! KOL1OO1lu Diblan Profesor titular Departamento de Inenerta MecMica Escuela de Ingeniera Universidad de las AmriCas, Puebla Sergio Saldao3 Sjnchez Departamento de Ingeniera Mecnica Escuela SUperior de Ingemerla Mecnica y Elctnca. Unidad Culhuacn Instituto PolitcnicO Nacional Jernimo Martlnez Martlnez Profesor de planta Departamento de IngenIera Qulmica Instituto Tecnolgico y de EstudIOS SuperIores de Monterrey Campus Monterrey MXICO' BOGOT' BUENOS AIRES' CARACAS. GUATEMALA' LISBOA MADRID' NUEVA YORK' SAN JUAN. SANTIAGO AUCKLAND LONDRES' MILN MONTREAL NUEVA DELHI SAN FRANCISCO' SINGAPUR STo LOUIS SIDNEY TORONTO 5. Gerente de divisin: Leonardo Newball Gonzlez Gerenle de producto: Javier Reyes Manfnez Supervisor de desarrollo: Sergio Campos Pelez Supervisor de produccin: lmoleo Eliosa Garca TRANSFERENCIA DE CALOR Segunda edici6n lB McGraw-HiII _ Interamericana Prohibida la reproduccin 10lal o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorizacin escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS 2004, respecto a la primera edicin por McGRAW-HILUlNTERAMERICANA EDITORES. S.A. DE c.v. A Subsidiary oThe McGraw-Hill Companies, Inc. Cedro Nm. 512, CoL Atlampa Delegacin Cuauhtmoc, 06450, Mxico, D.F. Miembro de la Cmara Nacional de la Induslria Editorial Mexicana. Reg. Nm. 736 ISBN 970-10-4484-3 Traducido de la segunda edicin en ingls de la obra: HEATTRANSFER. A PRACTICAL APPROACH. SECOND EDITION. Copyright 2003, 1998 by The McGraw-Hill Companies. Inc. Al) rights reserved. ISBN 0-07245893-3 3456789012 lmpreso en Mx.ico lila ctIoo .. -.-n:. .,. ........ Jo.r*> CM( ~.., ~~1A..,. c.v. Cea. Ci lO NO. 06-A ca. ....-C1' 068lI0 ..... OJ'. ~-.:..x.(JlJleI_ --" ellO ..... ,... elO y CefIIIlcodo A.c."'*'10 -..odO-lOO2. lW",'V(OC.(J.IIW5 ODo'1 el run. 01 ~ R5C-04 y bail> 10 _ .o .oco' ' '''''''-'990.00n elrun. ~-"""'" 0987653214 Printed in Mexico Th~ McGrow-HiII (QmPgrana y ~turas sugeridas 655 Problemas 655 12. C APT U L O T R ECE INTERCAMBIADORES DE CALOR 667 13-1 Tipos de intcrcambadorc~ de calor 668 13-2 El coeficiente de Iransfcrcncia de calor 10lal 671 Faclor de incrustacIn 674 13-3 Anlisis de los intercambiadores de calor 678 134 Mtodo de la diferencia de tcmpcraturd media logartmica 680 Intercam~adores de calor a contrafluJO 682 Intercambiadores de calor de pasos mltiples y de fluJo cruzado: Uso de un factor de correccin 683 13-5 Mtodo de la efectividad-NTU 690 13-6 Seleccin de los intcrcambiadores de calor 700 Velocidad de transferencia del calof 700 Costo 700 Potencia para el bombeo 701 Tamat'lo y peso 701 Tipo 701 Materiales 701 Otras consideraciones 702 Resumen 703 8ibliografla y lecturas sugeridas 704 Problemas 705 APND I CE 1 TABLAS Y DIAGRAMAS DE PROPIEDADES (SISTEMA INTERNACIONAL) 717 Tabla A-' Tabla A-2 Tabla A-3 Tabla A-4 Tabla A-5 Tabla A-6 Tabla A-7 Tabla A-8 Tabla A-S Tabla A-lO Masa molar. constante de los gases y propiedades en el punto crtico 718 Propiedades en los puntos de ebullicin y de congelacin 719 Propiedades de metaJcs slidos 720 Propiedades de no metales slidos 723 Propiedades de materiales de construccin 724 Propiedades de materiales aislantes 726 Propiedades de alimentos comunes 727 Propiedades de diverso~ materiales 729 Propiedades del agua saturada 730 Propiedades del refrigerante 134a saturado 731 Tabla A-ll Tabla A-12 Tabla A-13 Tabla A-14 Tabla A-15 Tabla A-16 Tabla A-17 Tabla A-1 8 Tabla A-19 Tabla A-20 XIII CONTENIDO Propiedades del amoniaco saturado 732 Propiedades del propano salurado 733 Propiedades de lquidos 734 PropIedades de metales IfqUldoc; 73S Propiedades del aire a la presin de I aun 716 Propiedades de gases a la presin de I atm de presin 737 Propiedades de la atmsfera a gran allitud 739 Emisividades de las superficies 740 Propiedades relativas a la radiacin solar de los maleriale~ 742 Diagrama de Moody del factor de friccin pam flujo complctamente desarrollado en tubos cin.:ulares 743 APND I CE 2 TABLAS Y DIAGRAMAS DE PROPIEDADES (SISTEMA INGLtS) 745 Tabla A-' I Tabla A-21 Tabla A-31 Tabla A-41 Tabla A-51 Tabla A-61 Tabla A-71 Tabla A-81 Tabla A-SI Tabla A-10I TablaA-l ll Masa molar, constante de los gases y propiedades en el punlo crtico 746 Propiedades en los puntos de ebullicin y de congelacin 747 Propicdade~ de metales slidos 748 Propiedades de no metales sdos 751 Propiedades de materiales de construccin 752 Propiedades de materiales aislantes 754 Propiedades de alimentos comunes 755 Propiedades de diversos materiales 757 Propiedades del agua saturada 758 Propiedades del refrigerante 134a saturado 759 Propiedade~ del amoniaco saturado 760 13. Tabla A-131 Tabla A-I4I Tabla A-ISI Tabla A-161 ...CONTENIDO Propiedades del propano saturado 761 Propiedades de lquidos 762 Propicdadc... de metales lquidos 763 Propiedades del aire a la presin de I atm 764 Propiedades de gase... a la presin de 1 atm 765 Tabla A-171 Propiedades de la atmsfera a gran altitud 767 A P ND I CE 3 INTRODUCCiN Al EES 769 (NOICE 783 14. C APTULO UNO CONCEPTOS BAslCOS DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR 1 Ejemplo 1-1 Calentamiento de una bola de cobre 10 Ejemplo 1-2 Calentamiento de agua en una tetera elctrica 14 Ejemplo 1-3 Prdida de calor en los duetos de calefaccin en un stano 15 Ejemplo 14 Calefaccin elctrica de una casa a gran elevacin 16 Ejemplo 1-5 Costo de la prdida de calor a travs de un techo 19 Ejemplo 1-6 Medicin de la conductividad trmica de un material 23 Ejemplo 1-7 Conversin entre unidades del SI y las unidades inglesas 24 Ejemplo 1-8 Medicin del coeficiente de transferencia de caJor por conveccin 26 Ejemplo '-9 Efecto de la ntdiacin sobre la comodidad trmica 29 Ejemplo 1-10 Prdida de calor de una persona 3 1 Ejemplo 1-11 Transferencia de calor entre dos placas isotrmicas 32 Ejemplo 1-12 Transferencia de calor en los hornos convencionales y de microondas 33 Ejemplo 1-13 Calentamiento de una placa por energa solar 34 Ejemplo 1-14 Resolucin de un sistema de ecuaciones con EES 39 CA PT U LO DOS ECUACiN DE LA CONDUCCiN DE CALOR 61 Ejemplo 2-1 Ganancia de calor por un refrigerador 67 Ejemplo 2-2 Ejemplo 2-3 Generacin de calor en una secadora de cabello 67 Conduccin de calor a travs del fondo de una cacerola 72 Ejemplo 2-4 Conduccin de calor en un calentador de resistencia 72 Ejemplo 2-5 Enfriamiento de una esfera metlica caliente en el aire 73 Ejemplo 2-6 Conduccin de calor en un cilindro corto 76 Ejemplo 2-7 Condicin de frontera de flujo de calor 80 Ejemplo 2-8 Condiciones de conveccin de frontera y aislamiento 82 Ejemplo 2-9 Condicin de conveccin y radiacin combinadas 84 Ejemplo 2-10 Conveccin. r'ddiacin y flujo de calor combinados 85 Ejemplo 2-11 Conduccin de calor en una pared plana 86 Ejemplo 2-12 Una pared con varios conjuntos de condiciones de frontera 88 Ejemplo 2-13 Conduccin de caJor en la placa ba110 web del libro en ww" . IThhc.comI~engcll. Vi,,,.~c "110 ~ ohI.",,, rnfonnocin """"'" del hbro Ylo> suplen",nIO""-'CD' C0"'P""">"'.~ ~ ipt')I' ronLJ... 1'11 dl 1.1(' J.... pN u;1 ti "te"t' VII ~. ~I 11 26. D. e ( c.. c. c" r., {, ( !.."'t.lP JO o,. n J r. J F" 10.. ,1.'._ R ti _~ .....rr _ .... _ pioI~*'_ ""' .._10_.....___.,..._la_....,"...._,,_..,....._.........' ...... -'-"-" ,.'''-_.._..: _........_" >Ot" -.oro. "--"i_. .......:". e........ * ..,.~ ....e.nd,e_ O$(oe__ ff""""~. 11 .... ~~.,. """""" di! c.IOr del -.ore ..... '1fI>'O. a la'..,.ou di! enotKKln .a ~ __U ... ~tam....1o >Ot" .....""'f"'; es OS O moloXul.. Ad, r~ren1*'" de -...-... La tw,Ii""'I! (:O un/t~1tO vo/"""rnro y todoIIloII oI.doo. IlquHlos y po- ... ftrulCa.lIbsobet! olJaMllUltrI rann" do~ :ndoI.. Sin e~ 1. radiacin luderon.1dennoe romo unfm6nw_ '1I/Htfi tIrol mi,. mn ordt:n de....,..,nod YDoruvidIod plOO,ledtode unatuperftCic: oc aIIISOde- '" igual. lu em i~ividad pron>td'o. LI velocidad. la clI.1 ..... sopeocie: ab50rbe la nLtilci6n .. determil,l " wI" de Ifi""" 1-15) Q_ 0-12_ (W) u n donde Q__ e:o la .docodad. l. cual la noo:h.Ia6n ,1tC!de lObn: la 1lUpcrfkic: Yti es l .....uvidad de l. wperf""e Paro al Jllpo:rf".det 0f"tCIS (O>() TarI$JNI- ~). la I*IC' de la radllCln ,1tC~ O>() abIotbida ,.,.. la ...pe' ""'" le re_ "'-La d,fercftt.. en~ 1a.t",1oadados de la nLdieon ertbhda por la 1Uperllcic: Yla rad, ltC~ absorboda es l. InLn.(crencoa M/II de ubr por nod,xin..li.l&. veb:v!..! de ............. de la oo'ann ClIDI~orlLlt l.de en".it.n~R~ - --~ie,.a1 pnando CDCIl!(,o PQ( rWiacio .,., 10 t'OIItrano. OC dtce 1p! la luperfae euJ ~"';ntdo energla por radiacin En genenol. l. detemn. acin de la Ydo 3 ..1 per"''''..j~ por O:.m.llot.' fO- _ ID" tes ~'c"" '~">C'flH ", .. 01 lALOk " ___, 7. ~ -. ~. (' ..... - n , l'. """" flQUItA. ' 38 ,0.., eame'lIe 101> lrU en UllllOdoo J>tt t,.m>Io. 11 trUI.fer ~ncia de calor okIocum: por ur lanIO, '!JI [1 1 1 p ........ !TM!'P""..... le' d 'we.4.) ,.... ir.,..w Mcoovenn SIn c""-zO. -Un slio,lQ puoo~I(:"Up''''' ''' "0 o",OO OU1 /jo OJ.:da .. "*""" ordt un probl~ 'na. de ~I probk".. Ylos obJc!i_os antes de que ,"l(me 2: Esluema _ ......".. rc.aJjsta dad domen .oonal.onINI W'lodad 110 11......n,fJC:lOdo, "~,nmmo. 00 do! UR&1oe1lAoC1I'I fala de mucluo prec,s,n aL roptar 'odos los dI~,lOII de l. panlllll. de l. calcuLadora, redol>lke ~ r'ftuhlldos ~,a un nOrnero aprop.."1o de c,f..... "lIn,fk,"... Paso 7: Razonamiento, ",rificacin ydiscusin A>q:u........ comproblM:lOOC. roa d fin do que .... rcMIlladoo k$. Pur .JCfllpIo..... l. "" o;aItnlldor de.".. en d que w _ po natun! ron ,aIor ... 80 dLa In.ol do 110 puede dar por multado un ohorTO de :!OOdIafa ..uaIQ (figu fa 1-46)_ Del nu....., ...........dwc el ......f~ de 1000 _1.- Yd_ _ .,.. ploameme que ,iga e>lU!> ~"en la ........Iucin de probLcrruI> Il.a.ta que de>arrollc un p,o. Conl"'rncnlc no puoed.on lkI.-nninarsc hasta ms ~if..., "":01' _'&>. lJ.lr 1011 resuLtado/. con mi. ",fras >1gn,ncau,... da. emcodcr que _ """ mayor uacu(ud y debe e tUU"llC. f'laqcmph', cOTl>ldcre nn ='p,en'e de 1.75 LU.,,,,, con gasolina cuya den .-.,.. O14~ ~WL ~ ltale de d""""'"3r su masa. El; probabLe que el primer ooento n,du a La ,,...nle """ mulupllcar el ,00ume" por La den"dad pa- g', ,"", ~. lM!75 19 pan! la ,na.s.a. Lo cual "nphca con falSk: lJI.rneotales que e'ltM 10"1.1000 JlO"'l"" priclicameme 1000 .. puede ~ con ..ptde~ y f"",h dad med,anle 1.. corul"'tadoras. eotoncC'. ~oto seria ~1MO '1"" lo< pa1rolle: ya no necitarfan conll'101Rr ,ogen,rros con .evado!; ..tono.. ya que cualqule' persona '1"" "'pa cmo u.ar un prognuna do ~mo de IUIOS wnbt~n pueXliva apropiad:! y estable.:crjoicK)" ;(lI)!; de IngenIera. preclsamenle como sus lnteSC"le se 11;", fue I1IIU _ ~I P"t>bI......, el' 10 !tIMIl en "1M. 1..1. _ un "",,", [E. ........p .. 1""".~II.""'- 1',* da la _ ,,,.oo.Noto tam/l,;~ owe Ia>.......:~ P'oIII'Ien ... l"teI"'~" no 1,...* y se pI*Ien ,nlmmal>e7'" ~ .bol'"01DftW ti.e 'I-e'. _. la 9IIIoJcidad de- I ;~_,~" la po. ~.r un IdolCld~ procnnIil> para ., 1nII)eTC "'" ,no :.Im:'cd,c.' .": ! patIO babitabl< pr.I "Ka 11 onmm..t:idal nu.:li la> 'o,.,...."'... di! ",f>'.... 'fMI....-_ ,I"",ro ",,,,,,",n,,,. lo. p< .. cul.ntU. '", y ........""/i,.""",,, ~Ifk-..J di! '" ".",......".'" 1....... rieo Ui l. ~ _ ... JIQ' !al ..-rfiO ...lIdaob"""'h.. f...,, ... ,~....,pnr 1" ....,..,~. r4l_ como ioJ r IP!," ~ JW" aoIrr..-cifoft. ti>' 1/"" cHctnroo. ,vIoc:adm "' ID pm-nIn " " 1Cdlo. In ~ le!. ho! m la di","",6ft >~nl ,_" ot ~Jen _ LI;II non- ~ '"* c'(I!III"dhbd ~'I r,./e '111< l. p>d de UI," mano a ~I) (' e U. , :,0 ,"1.) t,,. j o~t O' " ..(APIlV,OI , " --IIR._,..~"' .....'"..... ~ " .... -"~. --.....- ",T._._.__ u-_*_, l' - 0,.- --- ' _ _ _ do ............- fIGURA 1~1 El",,,, d>e " "'PI' ..,,.,. "' .......,..~~.",' """"""cq... ~ "'""'< 1"IJC"dlano .... Vnocenes 1.0- 5 de _tlttS ~ tpor m' -- 20 "lO Ed''clCll .... 0.35 lCipl"oj Hm, Tmn',< h. ed.. p,.,ir",~.Ck 8root..K'oIc. 2001 7. A. r. M,lb.n",i(-lIro'wuf Ma.J.I Tm",a h. co. U~I S.Jdlc Ri>i8"i:";:~3x- t8~j~g-~~i;:~~'t:...t~~!::'J~c..~~p!,Ai..:~d~!= ~~u;