¿Qué es el coeficiente general de transferencia de calor? Factor U – Definición

En los sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente global de transferencia de calor, conocido como factor U. El factor U se define mediante una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton.

Factor U – Coeficiente general de transferencia de calor

Muchos de los procesos de transferencia de calor que se encuentran en la industria involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de conducción y convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor en general, conocido como un factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton :

factor u - coeficiente global de transferencia de calor

El coeficiente global de transferencia de calor está relacionado con la resistencia térmica total y depende de la geometría del problema. Por ejemplo, la transferencia de calor en un generador de vapor implica la convección desde la mayor parte del refrigerante del reactor a la superficie del tubo interno del generador de vapor, la conducción a través de la pared del tubo y la convección (ebullición) desde la superficie del tubo externo al fluido lateral secundario.

En casos de transferencia de calor combinada para un intercambiador de calor, hay dos valores para h. Existe el coeficiente de transferencia de calor convectivo (h) para la película de fluido dentro de los tubos y un coeficiente de transferencia de calor convectivo para la película de fluido fuera de los tubos. La conductividad térmica (k) y el espesor (? X) de la pared del tubo también deben tenerse en cuenta.

Coeficiente general de transferencia de calor: pared plana

Factor U - Coeficiente general de transferencia de calor

Coeficiente general de transferencia de calor: tubos cilíndricos

La transferencia de calor constante a través de capas cilíndricas o esféricas de varias capas se puede manejar como paredes planas de varias capas.

Coeficiente general de transferencia de calor: tubos cilíndricos

Conductividad térmica

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada  conductividad térmica , k (o λ), medida en  W / mK . Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por conducción. Tenga en cuenta que  la ley de Fourier se  aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gaseoso), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

La  conductividad térmica  de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

conductividad térmica - definición

La mayoría de los materiales son casi casi homogéneos, por lo tanto, generalmente podemos escribir  k = k (T) . Definiciones similares se asocian con conductividades térmicas en las direcciones y y z (k y , k z ), pero para un material isotrópico la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, k x  = k y  = k z  = k.

De la ecuación anterior, se deduce que el flujo de calor de conducción aumenta al aumentar la conductividad térmica y aumenta al aumentar la diferencia de temperatura. En general, la conductividad térmica de un sólido es mayor que la de un líquido, que es mayor que la de un gas. Esta tendencia se debe en gran parte a las diferencias en el  espacio intermolecular  para los dos estados de la materia. En particular, el diamante tiene la mayor dureza y conductividad térmica de cualquier material a granel.

conductividad térmica - materiales

Coeficiente de transferencia de calor convectivo

Como puede verse, la  constante de proporcionalidad  será crucial en los cálculos y se conoce como el  coeficiente de transferencia de calor por convección ,  h . El  coeficiente de transferencia de calor por convección,  h, se puede definir como:

La velocidad de transferencia de calor entre una superficie sólida y un fluido por unidad de superficie por unidad de diferencia de temperatura.

coeficiente de transferencia de calor convectivo - ecuación

coeficiente de transferencia de calor por convección - ejemplos

El  coeficiente de transferencia de calor por convección  depende de las propiedades físicas del fluido y la situación física. El coeficiente de transferencia de calor por convección no es una propiedad del fluido. Es un parámetro determinado experimentalmente cuyo valor depende de todas las variables que influyen en la convección, como la geometría de la  superficie , la  naturaleza del movimiento del fluido , las  propiedades del fluido y la  velocidad del fluido a granel .

Típicamente, el  coeficiente de transferencia de calor por convección  para  flujo laminar  es relativamente bajo en comparación con el  coeficiente de transferencia de calor por convección  para  flujo turbulento . Esto se debe al flujo turbulento que tiene una  capa de película de fluido estancada más delgada  en la superficie de transferencia de calor.

Cabe señalar que esta  capa de película de fluido estancada  juega un papel crucial para el coeficiente de transferencia de calor por convección. Se observa que el fluido se  detiene completamente en la superficie y asume una velocidad cero en relación con la superficie. Este fenómeno se conoce como la condición antideslizante y, por lo tanto,  en la superficie,  el flujo de energía ocurre  puramente por conducción. Pero en las siguientes capas se producen movimientos de conducción y difusión de masa en el nivel molecular o macroscópico. Debido al movimiento de masa, la tasa de transferencia de energía es mayor.

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