Prólogo ................................................
Lista de símbolos ...................................
. . . . . . . .
CAPíTULO 1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1. Transferencia de calor por conducción ............. ......... 1
1.2. Conductividad térmica .............................. ......... 4
1.3. Transferencia de calor por convección ............. ......... 1
1.4. Transferencia de calor por radiación ............... ......... 9
1.5. Dimensiones y unidades ............................. ......... 9
1.6. Resumen .............................................. ......... 1 3
Repaso ...................................................... ......... 13
Lista de ejemplos resueltos ................................ ......... 13
Problemas ..................................................
......... 14
Referencias ..................................................
......... 16
CAPíTULO 2. CONDUCCIÓN ESTACIONARIA UNIDIMENSIONAL . . . . . . . . 17
2.1. Introducción. ...................................
2.2. La placa plana ..................................
2.3. Aislamiento y valores R ........................
2.4. Sistemas radiales ................................
2.5. El coeficiente global de transferencia de calor
2.6. Espesor crítico de aislamiento .................
2.7. Sistemas con fuentes de calor ..................
2.8. Cilindro con fuentes de calor ..................
2.9. Sistemas con conducción-conveccih .........
2.10. Aletas ............................................
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
ix
.
Xlll
17
17
18
18
22
25
26
27
29
31
2.11. Resistencia térmica de contacto. ............................ 37
Repaso ................................................................ 39
Lista de ejemplos resueltos. ......................................... 39
Problemas. ........................................................... 40
Referencias ............................................................ 50
CAPíTULO 3. CONDUCCIÓN ESTACIONARIA MULTIDIMENSIONAL ......
3.1. Introducción. .................................................
3.2. Análisis maternatic de la conducción de calor bidimensional ..........................................................
3.3. Análisis gráfico ...............................................
3.4. Factor de forma conductivo .................................
3.5. Método de análisis numérico ................................
3.6. Formulación numérica en términos de elementos resistivos
3.7. Iteración de Gauss-Seidel.. ..................................
3.8. Consideraciones sobre la precisión ..........................
3.9. Analogía eléctrica para la conducción bidimensional.. ....
3.10. Resumen ......................................................
Repaso ................................................................
Lista de ejemplos resueltos.. ........................................
Problemas. ...........................................................
Referencias. ...........................................................
CAPíTULO 4. CONDUCCIÓN NO ESTACIONARIA ........................
4.1. Introducción ...................................................
4.2. Sistemas de capacidad térmica global ........................
4.3. Flujo de calor transitorio en un sólido semi-infinito ........
51
51
51
54
55
60
67
70
71
81
81
82
82
82
92
95
95
96
98
Vi CONTENIDO
4.4. Condiciones de contorno convectivas ...............
4.5 Sistemas multidimensionales .........................
4.6. Método numérico para el régimen transitorio ......
4.7. Formulación de la resistencia y capacidad térmicas
4.8. Resumen. ..............................................
Repaso .......................................................
Lista de ejemplos resueltos .................................
Problemas ...................................................
Referencias. ..................................................
.......
.......
.......
.......
.......
.......
101
109
113
120
132
133
133
133
147
CAPíTULO 5. LOS PRINCIPIOS DE LA CONVECCIÓN.. . . . . . . . . . . . . 149
5.1. Introducción. .................................................
5.2. Flujo viscoso ..................................................
5.3. Flujo no viscoso ..............................................
5.4. Capa límite laminar en una superficie plana ...............
5.5. Ecuación de la energía de la capa límite ....................
5.6. La capa límite térmica .......................................
5.1. Relación entre la fricción en el fluido y la transferencia de
calor .........................................................
5.8. Transferencia de calor en la capa límite turbulenta ......
5.9. Espesor de la capa límite turbulenta ......................
5.10. Transferencia de calor en flujo laminar en un tubo ......
5.11. Flujo turbulento en un tubo ...............................
5.12. Transferencia de calor en corriente a alta velocidad .....
5.13. Resumen ....................................................
Repaso ..............................................................
Lista de ejemplos resueltos ........................................
Problemas. .........................................................
Referencias ..........................................................
149
149
151
154
158
160
167
168
173
174
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179
183
185
185
185
191
CAPíTULO 6. RELACIONES EMPíRICAS Y PRÁCTICAS EN TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN FORZADA.. . . . . . . . . 193
6.1. Introducción ................................................... 193
6.2. Relaciones empíricas para corrientes en tuberías y conductos ............................................................... 194
6.3. Flujo alrededor de cilindros y esferas ........................ 204
6.4. Corriente alrededor de un haz de tubos.. ................... 211
6.5. Transferencia de calor en metales líquidos ................... 215
6.6. Resumen.. ...................................................... 217
Repaso ................................................................ 219
Lista de ejemplos resueltos .......................................... 219
Problemas ............................................................ 220
Referencias ............................................................ 226
CAPíTULO 7. SISTEMAS DE CONVECCIÓN NATURAL.. . . . . . . . . 229
7.1. Introducción. .................................................
7.2. Transferencia de calor por convección natural en una placa
plana vertical .................................................
7.3. Relaciones empíricas para convección natural .............
7.4. Convección natural de planos y cilindros verticales .......
7.5. Convección natural desde cilindros horizontales ...........
7.6. Convección natural desde placas horizontales .............
7.7. Convección natural de superficies inclinadas ...............
7.8. Fluidos no newtonianos .....................................
7.9. Ecuaciones simplificadas para el aire .......................
7.10. Convección natural en esferas ...............................
7.11. Convección natural en espacios cerrados ...................
7.12. Convección natural y forzada combinadas.. ...............
7.13. Resumen ......................................................
Repaso ................................................................
Lista de ejemplos resueltos ..........................................
Problemas. ...........................................................
Referencias ............................................................
CAPíTULO 8. TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN. . . . . . . . . . 271
8.1. Introducción. .................................................
8.2. Mecanismo físico .............................................
8.3. Propiedades de la radiación .................................
8.4. Factor de forma de radiación ...............................
8.5. Relaciones entre factores de forma ..........................
8.6. Intercambio de calor entre cuerpos no negros .............
8.7. Planos paralelos infinitos.. ..................................
8.8. Apantallamientos radiantes ..................................
8.9. Radiación de gases ...........................................
8.10. Circuito de radiación para medios absorbentes y transmisores ...........................................................
8.11. Intercambio de radiación con superficies especulares ......
8.12. Intercambio de radiación a través de medios transmisores,
reflectantes y absorbentes ....................................
8.13. Formulación de la solución numérica. ......................
8.14. Radiación solar ...............................................
8.15. Propiedades de radiación del ambiente. ....................
8.16. Influencia de la radiación en la medida de temperatura.
8.17. El coeficiente de transferencia de calor por radiación. ....
8.18. Resumen ,. .....................................................
Repaso ................................................................
229
229
235
235
240
242
243
244
244
245
245
254
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259
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305
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317
328
331
333
334
335
335
CONTENIDO Vii
Lista de ejemplos resueltos .......................................... 336
Problemas ............................................................ 336
Referencias ............................................................ 353
CAPíTULO 9. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDENSACIÓN Y EBULLICIÓN ..................................................
9.1. Introducción ...................................................
9.2. Fenómenos de transferencia de calor por condensación ....
9.3. El número de condensación...................................
9.4. Condensación en película en el interior de tubos horizontales .............................................................
9.5. Transferencia de calor por ebullición .........................
9.6. Relaciones simplificadas de la transferencia de calor por
ebullición con agua ............................................
9.7. El caloducto.. ..................................................
9.8. Resumen e información sobre el diseño ......................
Repaso. ...............................................................
Lista de ejemplos resueltos ..........................................
Problemas ............................................................
Referencias. ...........................................................
CAPíTULO 10. CAMBIADORES DE CALOR < . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . _ . . . 379
10.1. Introducción ........................................
10.2. El coeficiente global de transferencia de calor. ...
10.3. Factores de suciedad ...............................
10.4. Tipos de cambiadores de calor ....................
10.5. La temperatura media logarítmica ................
10.6. Método del NTU-rendimiento ....................
10.7. Cambiadores de calor compactos .................
. . . .
. . . .
. ..1
355
355
355
359
359
361
369
370
371
373
373
373
376
379
379
383
384
386
392
402
CAPíTULO 11. TRANSFERENCIA DE MASA.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
11.1. Introducción.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
11.2. Ley de Fick de la difusión.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
11.3. Difusión en gases.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
11.4. Difusión en líquidos y sólidos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
11.5. El coeficiente de transferencia de masa. . . . . . . . . . . . . 428
11.6. Procesos de evaporación en la atmósfera . . . . . . . . . . . 431
Repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
Lista de ejemplos resueltos.. . . . . . . . . . . . , . . . . , . . . . . 433
Problemas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
APÉNDICE A. TABLAS. , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
Tabla A.l. La función error / Tabla A.2. Propiedades de los
metales / Tabla A.3. Propiedades de los no metales / Tabla A.4.
Propiedades de los líquidos saturados / Tabla AS. Propiedades
del aire a la presión atmosférica / Tabla A.6. Propiedades de
los gases a la presión atmosférica / Tabla A.7. Propiedades
físicas de algunos metales comunes de bajo punto de fusión /
Tabla A.8. Coeficientes de difusión de gases y vapores en aire a
25 “ C y 1 atm. / Tabla A.9. Propiedades del agua (líquido saturado) / Tabla A.lO. Emisividad normal total de varias superficies / Tabla A.ll. Dimensiones de tuberías de acero / Tabla A.12. Factores de conversión.
APÉNDICE B. SOLUCIONES EXACTAS DE LAS ECUACIONES DE LA CAPA
LíMITE LAMINAR.. . . _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
APÉNDICE C. RELACIONES ANALíTICAS DE LOS DIAGRAMAS DE
HEISLER . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
10.8. Análisis con propiedades variables .......................... 404
10.9. Consideraciones sobre el diseño de cambiadores de calor. 409 APÉNDICE D. PROGRAMACIÓN DE TRANSFERENCIA DE CALOR ......... 463
Repaso ................................................................ 409 D.l. Introducción / D.2. Instalación de los programas / D.3. DoLista de ejemplos resueltos .......................................... 409 cumentación de los doce programas.
Problemas ............................................................ 410
Referencias ............................................................ 421 hdice ................................................................ 478

Este libro presenta un tratamiento elemental de los fundamentos de la
transferencia de calor. Como libro de texto, contiene materia suficiente
para cubrir un curso de un semestre que, dependiendo de los objetivos
del curso en concreto, puede exponerse a un nivel más o menos alto.
Para lograr una comprensión adecuada de dicha materia, resulta de
gran ayuda poseer conocimientos básicos sobre ecuaciones diferenciales
ordinarias. Aunque para seguir las discusiones sobre convección será
útil estar algo familiarizado con la mecánica de fluidos, no resulta imprescindible. También son útiles, en los diversos desarrollos analíticos,
los conceptos termodinámicos de los balances de energía.
La presentación del tema sigue la línea clásica de analizar por separado la conducción, la convección y la radiación, aunque se hace hincapié en que el mecanismo físico de la transferencia de calor por convección, es la conducción a través de la capa de fluido estacionaria cercana
a la superficie de transferencia de calor. A lo largo del libro, también se
hace hincapié en la comprensión del fenómeno físico mientras que, al
mismo tiempo, en aquellas circunstancias en que no es fácil una simple
solución analítica, se recurre a datos experimentales significativos.
La conducción se trata tanto desde el punto de vista analítico como
numérico, de modo que se proporciona al lector la percepción del problema que se alcanza con la solución analítica, y también las importantes herramientas del análisis numérico que a menudo han de utilizarse
en la práctica. En la presentación de la transferencia de calor por convección se sigue un procedimiento análogo. Para ofrecer una idea física
del proceso de convección, se hace uso de un análisis integral de las dos
capas límite, que aparecen en convección natural y en convección forza- .
da. A partir de esta descripción física, se pueden extraer deducciones que
conducen de forma natural a la presentación de relaciones empíricas y
prácticas para el cálculo de los coeficientes de transferencia de calor por
convección. El método del circuito de radiación se utiliza de manera
amplia en la introducción del análisis de los sistemas de radiación, dado
que esto proporciona un medio de enseñanza más sencillo que otros
métodos, y posteriormente se da una formulación más general.
En los capítulos de conducción y radiación también se discuten los
sistemas de ecuaciones no lineales que necesitan soluciones iterativas.
En el análisis de los cambiadores de calor se presentan los denominados métodos de la diferencia de temperaturas media logarítmica y del
rendimiento, ya que ambos se están utilizando ampliamente y cada uno
de ellos ofrece sus propias ventajas al diseñador. Se ofrece una breve
introducción a la difusión y a la transferencia de masa, con el fin de que
el lector conozca estos procesos, y para establecer más firmemente las
importantes analogías entre transferencia de calor, de masa y de cantidad de movimiento.
Se incluyen problemas al final de cada capítulo. Algunos de ellos son
de naturaleza rutinaria, con el propósito de familiarizar al estudiante
con las operaciones numéricas y los órdenes de magnitud de los diversos
parámetros que intervienen en la transferencia del calor. Otros problemas amplían la materia del tema pidiendo a los estudiantes que apliquen
los principios básicos a situaciones nuevas y que desarrollen sus propias
ecuaciones. Ambos tipos de problemas son importantes.
Hay también un apartado al final de cada conjunto de problemas,
denominado «Problemas orientados al diseño». Los problemas de estos
apartados son los típicos de solución abierta y no tienen una única
respuesta. En algunos casos pueden ser bastante extensos y requerir la
toma de decisiones durante el proceso