Coeficiente global de transferencia de calor

La transferencia de calor a través de una superficie como una pared puede calcularse como

q = U A dT (1)

donde

q = transferencia de calor (W (J/s), Btu/h)

U = coeficiente global de transferencia de calor (W/(m2K), Btu/(ft2 h oF))

A = área de la pared (m2, ft2)

dT = (t1 – t2)

= diferencia de temperatura sobre la pared (oC, oF)

El coeficiente global de transferencia de calor para una pared de varias capas, tubería o intercambiador de calor – con flujo de fluido en cada lado de la pared – puede calcularse como

1 / U A = 1 / hci Ai + Σ (sn / kn An) + 1 / hco Ao (2)

donde

U = el coeficiente global de transferencia de calor (W/(m2 K), Btu/(ft2 h oF))

kn = la conductividad térmica del material en la capa n (W/(m K), Btu/(hr ft °F))

hc i,o = el coeficiente de transferencia de calor por convección del fluido individual de la pared interior o exterior (W/(m2 K), Btu/(ft2 h oF))

sn = el espesor de la capa n (m, ft)

Una pared plana con igual área en todas las capas – puede simplificarse a

1 / U = 1 / hci + Σ (sn / kn) + 1 / hco (3)

La conductividad térmica – k – para algunos materiales típicos (no es que la conductividad sea una propiedad que pueda variar con la temperatura)

• Polipropileno PP : 0.1 – 0,22 W/(m K)
• Acero inoxidable : 16 – 24 W/(m K)
• Aluminio : 205 – 250 W/(m K)

Conversión entre unidades métricas e imperiales

• 1 W/(m K) = 0.5779 Btu/(ft h oF)
• 1 W/(m2 K) = 0,85984 kcal/(h m2 oC) = 0.1761 Btu/(ft2 h oF)
• Transferencia de calor por conducción
• Conductividad térmica de los materiales más utilizados

El coeficiente de transferencia de calor por convección – h – depende de

• tipo de fluido – si es gas o líquido
• propiedades del flujo como la velocidad
• otras propiedades dependientes del flujo y la temperatura

Coeficiente de transferencia de calor por convección para algunos fluidos comunes:

• Aire – 10 a 100 W/m2K
• Agua – 500 a 10 000 W/m2K

Muros multicapa -. Calculadora de transferencia de calor



Esta calculadora puede utilizarse para calcular el coeficiente global de transferencia de calor y la transferencia de calor a través de una pared multicapa. La calculadora es genérica y puede utilizarse para unidades métricas o imperiales siempre que el uso de las unidades sea coherente.

A – área (m2, ft2)

t1 – temperatura 1 (oC, oF)

t2 – temperatura 2 (oC, oF)

hci – coeficiente de transferencia de calor por convección dentro de la pared (W/(m2 K), Btu/(ft2 h oF))

s1 – espesor 1 (m, ft) k1 – conductividad térmica 1 (W/(m K), Btu/(hr ft °F))

s2 – espesor 2 (m, ft) k2 – conductividad térmica 2 (W/(m K), Btu/(hr ft °F))

s3 – espesor 3 (m, ft) k3 – conductividad térmica 3 (W/(m K), Btu/(hr ft °F))

hco – coeficiente de transferencia de calor convectivo fuera de la pared (W/(m2 K), Btu/(ft2 h oF))

¡Calculadora de carga!

Resistencia térmica de transferencia de calor



La resistencia de transferencia de calor puede expresarse como

R = 1 / U (4)

donde

R = resistencia de transferencia de calor (m2K/W, ft2 h°F/ Btu)

La pared se divide en secciones de resistencia térmica donde

• la transferencia de calor entre el fluido y la pared es una resistencia
• la pared en sí misma es una resistencia
• la transferencia entre la pared y el segundo fluido es una resistencia térmica

Los revestimientos de la superficie o las capas de producto «quemado» añaden una resistencia térmica extra a la pared disminuyendo el coeficiente global de transferencia de calor.

Algunas resistencias típicas de transferencia de calor

• Capa de aire, 40 mm (1,57 in) : R = 0,18 m2K/W
• Resistencia de transferencia de calor interior, corriente horizontal : R = 0,13 m2K/W
• Resistencia de transferencia de calor exterior, corriente horizontal : R = 0,04 m2K/W
• Resistencia de transferencia de calor interior, corriente de calor desde abajo hacia arriba : R = 0,10 m2K/W
• Resistencia de transferencia de calor exterior, corriente de calor desde arriba hacia abajo : R = 0,17 m2K/W

Ejemplo – Transferencia de calor en un intercambiador de calor aire-aire

Un intercambiador de placas aire-aire con una superficie de 2 m2 y un espesor de pared de 0,1 mm puede fabricarse en polipropileno PP, aluminio o acero inoxidable.

El coeficiente de convección de transferencia de calor para el aire es de 50 W/m2K. La temperatura interior del intercambiador es de 100 oC y la exterior de 20 oC.

El coeficiente global de transferencia de calor U por unidad de superficie puede calcularse modificando (3) a

U = 1 / (1 / hci + s / k + 1 / hco) (3b)

El coeficiente global de transferencia de calor para el intercambiador de calor en

• polipropileno con conductividad térmica 0.1 W/mK es

UPP = 1 / (1 / (50 W/m2K) + (0,1 mm) (10-3 m/mm)/ (0,1 W/mK) + 1 / (50 W/m2K))

= 24,4 W /m2K

La transferencia de calor es

q = (24,4 W /m2K) (2 m2) ((100 oC) – (20 oC))

= 3904 W

= 3.9 kW

• Acero inoxidable con conductividad térmica 16 W/mK:

USS = 1 / (1 / (50 W/m2K) + (0,1 mm) (10-3 m/mm)/ (16 W/mK) + 1 / (50 W/m2K))

= 25 W /m2K

La transferencia de calor es

q = (25 W /m2K) (2 m2) ((100 oC) – (20 oC))

= 4000 W

= 4 kW

• Aluminio con conductividad térmica 205 W/mK:

UAl = 1 / (1 / (50 W/m2K) + (0.1 mm) (10-3 m/mm)/ (205 W/mK) + 1 / (50 W/m2K))

= 25 W /m2K

La transferencia de calor es

q = (25 W /m2K) (2 m2) ((100 oC) – (20 oC))

= 4000 W

= 4 kW

• 1 W/(m2 K) = 0.85984 kcal/(h m2 oC) = 0,1761 Btu/(ft2 h oF)

Coeficientes de transferencia de calor global típicos

• Gas de convección libre – Gas de convección libre : U = 1 – 2 W/m2K (ventana típica, habitación al aire exterior a través del cristal)
• Gas de convección libre – Agua líquida forzada (fluyendo) : U = 5 – 15 W/m2K (calefacción central típica de radiadores)
• Gas de convección libre – Agua de vapor de condensación : U = 5 – 20 W/m2K (radiadores de vapor típicos)
• Gas de convección forzada (fluyendo) – Gas de convección libre : U = 3 – 10 W/m2K (sobrecalentadores)
• Convección forzada (fluyendo) Gas – Convección forzada Gas : U = 10 – 30 W/m2K (gases de intercambiadores de calor)
• Convección forzada (fluyendo) Gas – Agua líquida forzada (fluyendo) : U = 10 – 50 W/m2K (enfriadores de gas)
• Convección forzada (fluyendo) Gas – Agua vaporizada de condensación : U = 10 – 50 W/m2K (calentadores de aire)
• Convección libre de líquido – Gas de convección forzada : U = 10 – 50 W/m2K (caldera de gas)
• Convección Libre de Líquido – Líquido de Convección Libre : U = 25 – 500 W/m2K (baño de aceite para calefacción)
• Convección Libre de Líquido – Líquido de flujo forzado (Agua) : U = 50 – 100 W/m2K (serpentín de calentamiento en el agua del recipiente, agua sin dirección), 500 – 2000 W/m2K (serpentín de calentamiento en el agua del recipiente, agua con dirección)
• Convección Libre de Líquido – Agua de vapor de condensación : U = 300 – 1000 W/m2K (chaquetas de vapor alrededor de los recipientes con agitadores, agua), 150 – 500 W/m2K (otros líquidos)
• Convección Libre de Líquido (fluyendo) agua – Gas de convección libre : U = 10 – 40 W/m2K (cámara de combustión + radiación)
• Líquido forzado (fluyendo) agua – Líquido de convección libre : U = 500 – 1500 W/m2K (serpentín de refrigeración – agitado)
• Líquido forzado (fluyendo) agua – Líquido forzado (fluyendo) agua : U = 900 – 2500 W/m2K (intercambiador de calor agua/agua)
• Agua líquida forzada (fluyendo) – Agua de vapor de condensación : U = 1000 – 4000 W/m2K (agua de vapor de condensadores)
• Agua líquida de ebullición – Gas de convección libre : U = 10 – 40 W/m2K (caldera de vapor + radiación)
• Agua líquida en ebullición – Líquido forzado que fluye (Agua) : U = 300 – 1000 W/m2K (evaporación de refrigeradores o enfriadores de salmuera)
• Agua líquida en ebullición – Agua de vapor de condensación : U = 1500 – 6000 W/m2K (evaporadores vapor/agua)

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