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Teoría de ingeniería térmica y de fluidos

Las ecuaciones que rigen toda la mecánica de fluidos se obtienen por la aplicación de los principios de conservación de la mecánica y la termodinámica a un volumen fluido. Para generalizarlas usaremos el teorema del transporte de Reynolds y el teorema de la divergencia (o teorema de Gauss) para obtener las ecuaciones en una forma más útil para la formulación euleriana.

Las tres ecuaciones fundamentales son: la ecuación de continuidad, la ecuación de la cantidad de movimiento, y la ecuación de la conservación de la energía. Estas ecuaciones pueden darse en su formulación integral o en su forma diferencial, dependiendo del problema. A este conjunto de ecuaciones dadas en su forma diferencial también se le denomina ecuaciones de Navier-Stokes.

No existe una solución general a dicho conjunto de ecuaciones debido a su complejidad, por lo que para cada problema concreto de la mecánica de fluidos se estudian estas ecuaciones buscando simplificaciones que faciliten la resolución del problema. En algunos casos no es posible obtener una solución analítica, por lo que hemos de recurrir a soluciones numéricas generadas por ordenador. A esta rama de la mecánica de fluidos se la denomina mecánica de fluidos computacional.

  

01 Principios básicos de transferencia de calor
Transmisión de calor por conducción: Pared plana y Paredes planas en serie
Analogía eléctrica de la conducción: Paredes en paralelo y Resistencia de contacto
Conductividad térmica: Coeficientes de conductividad térmica para las aleaciones. Conductividad térmica en líquidos gases y vapores
Transmisión de calor por convección
Transmisión de calor por radiación
Mecanismos combinados de transmisión de calor
Anexo sobre aislantes térmicos

  

02 Conducción unidireccional estacionaria
Ecuación fundamental de la transmisión de calor por conducción
Conducción en un cilindro sin generación de energía
Espesor de aislamiento crítico para un cilindro; número de Biot
Pared esférica sin generación de energía
Conducción monodimensional en régimen estacionario con generación de energía: Pared plana. Placa plana rodeada por un fluido convector. Pared cilíndrica. Pared cilíndrica rodeada con una vaina

  

03 Conducción estacionaria en dos o más dimensiones
Conducción de calor en función de dos o más variables independientes. Método analítico
Conducción en régimen permanente en placas rectangulares: Placa rectangular con distribución de temperatura en una arista y nula en las demás
Placa con un borde a temperatura uniforme
Placa rectangular con distribución de la temperatura en dos bordes opuestos
Distribución de temperaturas en más de una superficie de contorno
Condición de contorno de convección
Conducción en un cilindro circular de longitud finita
Tablas de Funciones de Bessel J0(x) y J1(x)
Distribución de temperaturas en secciones rectangulares, paralelepípedos, cilindros y tubos
Método gráfico
Factor de forma para la conducción para diferentes geometrías
Métodos numéricos
Método de relajación
Ecuaciones para los residuos en el caso de nudos en los límites
Método matricial
Técnicas de iteración

  

04 Condición de contorno de convección en sólidos infinitos
TConducción transitoria en placa infinita, cilindro y esfera
Conducción transitoria en 2 y 3 dimensiones en tubos
Transmisión de calor por conducción en régimen transitorio con generación de calor E
Tablas de Funciones de Bessel
Funciones de Bessel; fórmulas de recurrencia

  

05 Condición de contorno isotérmica en sólidos infinitos
Conducción transitoria en placa infinita, en pared cilíndrica infinita y en una esfera, con condición de contorno isotérmica
Transmisión de calor por conducción en régimen transitorio, con generación de calor E

  

06 Transitorios en sólidos semiinfinitos
Conducción transitoria en un sólido semiinfinito
Condición de contorno isotérmica y de convección en sólido semiinfinito
Sólido semiinfinito sometido a un flujo térmico uniforme en su superficie
Contacto entre sólidos semiinfinitos
Sólido semiinfinito sometido a un pulso de energía en su superficie
Sólido semiinfinito con generación de calor y c.c. isotérmica
Sólido semiinfinito con generación de calor y c.c. convección
Sólido semiinfinito sometido a una variación periódica de su temperatura superficial
Conducción transitoria en un sólido con resistencia térmica despreciable
Pared que se calienta por una cara y se mantiene en contacto con un fluido por la otra

  

07 Conducción en sólidos finitos
Conducción transitoria bidimensional y tridimensional
Sistemas bidimensionales y tridimensionales
Conducción transitoria en 2 y 3 dimensiones (c.c. isotérmica y c.c. convección)
Transmisión de calor por conducción en régimen transitorio con generación de calor E

  

08 Método gráfico para transitorios
Soluciones numéricas a problemas de conducción monodimensional en régimen transitorio
Nudos interiores y periféricos
Ecuaciones térmicas de los nudos y condiciones de estabilidad
Aplicación del método gráfico a paredes compuestas
Resolución gráfica con choque térmico y con convección en la superficie

  

09 Superficies ampliadas 
Transferencia de calor en aletas de sección transversal constante
Aleta muy larga
Aleta con su extremo libre aislado térmicamente
Aleta con convección desde su extremo libre
Aleta entre dos paredes a temperaturas diferentes
Campo de aplicación de las aletas rectas de sección uniforme
Perfil óptimo
Aletas de sección variable
Aleta anular de espesor constante
Aleta longitudinal de perfil trapecial
Aleta longitudinal de perfil triangular
Perfil óptimo de la aleta longitudinal de perfil triangular
Rendimiento de la aleta; casos particulares
Perfiles de aletas longitudinales de perfil parabólico
Protuberancias
Coeficiente global de transmisión de calor de aletas en aire

  

10 Convección: capa límite térmica e hidrodinámica
Ecuación diferencial de la transmisión de calor en un medio en movimiento
Capa limite laminar en flujo sobre placa plana: polinomios de grado 2 y 3
Espesores y caudales de la capa límite
Espesor de desplazamiento de la capa límite
Espesor de la cantidad de movimiento de la capa límite
Espesor de energía de la capa límite
Caudal de la capa límite
Caudal de la cantidad de movimiento de la capa límite
Ecuación integral del impulso de la capa límite laminar
Caudal de la cantidad de movimiento
Fuerza de arrastre.- Casos particulares con perfiles de segundo y tercer grado
Ecuaciones de Prandtl de la capa límite
Ecuación clásica de Kàrmàn
Ecuación integral de la energía de la capa límite
Relación entre los coeficientes de arrastre y convección en flujo laminar sobre placa plana
Capa límite turbulenta para placa plana
Desprendimiento de la capa límite
Tabla de coeficientes de arrastre de algunos cuerpos y perfiles inmersos en una corriente fluida

  

11 Convección: flujo en conductos
Flujo isotérmico en conductos circulares; Ec. de Poiseuille
Región de flujo desarrollado hidrodinámicamente
Flujo en conductos no circulares circulares. Flujo laminar incompresible entre placas paralelas
Fluidos que circulan por tuberías en convección forzada en régimen laminar con flujo de calor constante

  

12 Convección: analogías y análisis dimensional
Analogía entre la transmisión de calor y la cantidad de movimiento en flujo turbulento
Capa límite térmica sobre placa plana. Conductividad térmica. Cantidad de movimiento
Expresión general de la relación básica de la analogía entre el calor y la cantidad de movimiento
Analogías de Reynolds, Prandtl, Von Karman y Colburn
Diagrama de Moody
Análisis dimensional. Teorema de Buckinghan. Ecuación general de resistencia
Ecuación general de la pérdida de carga en una conducción cilíndrica
Método básico de análisis dimensional

  

13 Correlaciones para la convección natural
Correlaciones analíticas para la convección natural en placa plana vertical
Solución integral en pared isotérmica
Placa isotérmica
Placa con flujo de calor constante
Correlaciones para la convección natural en placas
Convección natural, sobre placa vertical
Convección natural sobre placa vertical a temperatura uniforme
Convección natural sobre placa vertical con flujo de calor constante
Convección natural sobre placa inclinada
Convección natural en placa horizontal
Convección natural entre placas horizontales
Convección natural entre placas verticales
Convección natural entre placas inclinadas
Correlaciones para la convección natural en tubos
Convección natural sobre un tubo o un cilindro horizontal
Correlaciones para la convección forzada en placas
Flujo laminar sobre placa plana horizontal
Flujo laminar totalmente desarrollado entre placas planas paralelas
Flujo turbulento sobre placa plana horizontal lisa; idem, sobre placa rugosa
Correlaciones para la convección forzada en el interior de tuberías
Flujo laminar por el interior de tuberías
Flujo turbulento desarrollado por el interior de tuberías (Ecuaciónes de Dittus-Boelter, Polley, Sieder y Tate, etc)
Flujo turbulento no desarrollado por el interior de tuberías
Flujo turbulento de metales líquidos por el interior de tuberías
Flujo turbulento por un serpentín tubular
Correlaciones para la convección forzada por el exterior de tuberías 
Flujo paralelo turbulento por el exterior de un tubo
Flujo paralelo turbulento por el exterior de tubos en batería (Diámetro hidráulico)
Correlaciones para la convección forzada en esferas
Convección natural y forzada combinadas
Correlaciones para la convección en flujos cruzados
Flujo cruzado en tubo único liso y en tubos en batería
Correlaciones para la convección de un flujo a través de un lecho compacto

Convección natural entre cilindros concéntricos
Correlaciones para la convección natural en esferas. Esfera isoterma
Convección natural entre esferas concéntricas

  

14 Condensación y vaporización
Transferencia de calor por condensación
Condensación en forma de película
Condensación en película laminar sobre placas y tubos verticales
Condensación en película laminar sobre placas y tubos inclinados
Condensación en película laminar sobre un tubo horizontal
Condensación en régimen turbulento
Efecto de la velocidad del vapor en placas y tubos verticales
Condensación en régimen turbulento en el interior de tubos horizontales
Condensación en forma de gotas
Transferencia de calor por ebullición de líquidos en reposo
Evaporación en película descendente sobre una pared vertical
Ebullición nucleada en recipientes con un líquido en reposo
Ebullición en la superficie exterior de un hilo horizontal caliente sumergido en un líquido
Ebullición de líquidos en flujo forzado en el interior de tubos horizontales
Fenomenología de la evaporación en tubos verticales
Gradiente de presión en el interior de tubos verticales
Formulación para la evaporación en tubos verticales

  

15 Intercambiadores de calor (Método de la LMTD)
Tipos básicos de intercambiadores de calor
Intercambiadores de paso simple 1-1
Intercambiador de corrientes paralelas en contracorriente 1-2
Intercambiador 2-4
Intercambiador de flujos cruzados
Coeficiente U de transferencia térmica global
Factor de suciedad
Transmisión de calor entre fluidos en movimiento, a temperaturas variables, a través de una pared
Temperatura media logarítmica (LMTD)
Factores de corrección de la (LMTD), para diversas configuraciones de intercambiadores

  

16 Intercambiadores de calor: método de la eficiencia (NTU)
Eficacia de los intercambiadores de calor (NTU)
Flujos paralelos en equicorriente
Flujos paralelos en contracorriente
Valores de la eficiencia térmica para diversas configuraciones de intercambiadores de calor compactos

  

17 Radiación térmica: Fundamentos
Física de la radiación. Concepto de cuerpo negro. Ley de Planck. Ley del desplazamiento de Wien. Ley de Stefan-Boltzman
Funciones de radiación
Transmisión de calor por radiación
Factor de forma de la radiación: Para dos superficies infinitesimales, Para una superficie finita y otra infinitesimal, Para dos superficies finitas
Propiedades de los factores de forma. Álgebra de factores de forma
Eliminación de superficies cóncavas
Factores de visión para tres superficies convexas generadas a lo largo de una recta
Método de las cuerdas cruzadas
Gráficas para la determinación de factores de forma en 2 y 3 dimensiones
Intercambio radiativo entre superficies negras
Intercambio radiativo entre dos superficies negras y una refractaria. Temperatura de la refractaria
Factor de forma general
Intercambio radiativo entre superficies grises
Recinto formado por dos superficies grises
Recinto formado por dos superficies grises especulares
Recinto formado por dos superficies grises y una o varias pantallas de radiación
Recinto formado por tres superficies grises, dos opacas y una refractaria
Técnicas matriciales
Superficies con temperaturas conocidas
Superficies con flujo neto de calor conocido

  

18 Radiación térmica en gases
Radiación a través de un medio transmisor y absorbente
Transferencia de calor entre dos superficies infinitas con un gas intermedio
Transferencia de calor entre dos superficies finitas con un gas intermedio
Intercambio radiativo entre un gas isotermo y un recinto negro
Intercambio radiativo entre un gas isotermo y un recinto gris
Propiedades radiativas de los gases. Emisividad de los gases. Longitud característica. Emisividad de una mezcla de gases. Absortividad de los gases
Determinación práctica de la emisividad
Radiación de nubes de partículas. Llamas luminosas. Llamas de carbón pulverizado
Cálculos en hornos y hogares
Medida de temperaturas

  

19 Tablas 

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