Calculadora del coeficiente de transferencia de calor

Esta calculadora del coeficiente de transferencia de calor te ayudará a determinar el coeficiente total de transferencia de calor o coeficiente de película. Este parámetro es vital para la mayoría de los cálculos de transferencia de calor y aislamiento, especialmente para las paredes de los edificios. Por ejemplo, si un diseñador deseara reducir la transferencia de calor a través de la pared de un edificio o de un intercambiador de calor, añadiría varias capas de aislamiento.

Esta herramienta utiliza la ecuación del coeficiente de transferencia de calor y te da la opción de añadir hasta 10 capas a tu muro y te devuelve la resistencia térmica y el coeficiente total de transferencia de calor de la estructura.

El coeficiente de transferencia de calor es función del espesor de la pared, la conductividad térmica y el área de contacto de la pared. La herramienta considera convección natural a ambos lados de la pared al realizar los cálculos. También existen distintos tipos de convección y geometrías de flujo utilizando el número de Nusselt. Sigue leyendo para entender qué es el coeficiente de transferencia de calor y cómo utilizar la fórmula del coeficiente de transferencia de calor.

¿Qué es el coeficiente de transferencia de calor? Es una medida de qué tan bien conduce el calor una pared o estructura. Dicho de otra forma, es la transferencia de calor por unidad de superficie y diferencia de temperatura. Este coeficiente es el valor combinado de todas las capas de la estructura. Se mide en $\text{W/m}^2\text{K}$ o $\text{BTU/(h}\cdot^\circ\text{F}\cdot\text{ft}^2)$. La fórmula del coeficiente de transferencia de calor considerando n capas en una estructura es:

donde:

• $U_t$ - coeficiente de transferencia de calor;
• A - área de contacto;
• L - espesor de la capa $\text{n-ésima}$; y
• k - conductividad térmica del material de la capa.

Concepto de resistencia térmica: Es la resistencia de un material frente al flujo de calor o conductancia. En otras palabras, la resistencia térmica es la relación entre la diferencia de temperatura y el calor conducido a través de un medio. Es análoga a la ley de Ohm, que es:

donde:

• $I$ - corriente;
• $V_1 - V_2$ - diferencia de tensión; y
• $R_e$ - resistencia.

Aquí, la corriente es la tasa de transferencia de calor, $Q$, siendo la diferencia de tensión la diferencia de temperatura, $T_1 - T_2$. La resistencia eléctrica corresponde a la resistencia térmica $R_t$ (consulta la calculadora de la ley de Ohm). Por tanto, la ecuación de la resistencia térmica pasa a ser:

Las unidades de resistencia térmica son K/W o °C/W. También puedes relacionar la resistencia térmica con el coeficiente total de transferencia de calor como:

Para varias capas una tras otra, la ecuación de la resistencia térmica es:

El caso anterior se aplica solo a la conducción. Sin embargo, cuando las superficies interior y exterior de las paredes están expuestas al aire o a cualquier otro fluido, hay que tener en cuenta otro factor. En ese caso, se utiliza el coeficiente de transferencia de calor por convección $h$ para determinar la resistencia convectiva del medio. De forma tal que:

Para averiguar el coeficiente total de transferencia de calor, sumamos la resistencia convectiva a la resistencia conductiva, $R_t$:

donde

• $h_i$ - coeficiente de transferencia de calor por convección del fluido, superficie interior; y
• $h_e$ - coeficiente de transferencia de calor por convección del fluido, superficie exterior.

Las unidades del coeficiente de transferencia de calor por convección son las mismas que las del coeficiente de transferencia de calor, es decir, $\text{W/m}^2\cdot\text{K}$ o, en el sistema anglosajón, $\text{BTU/(h}\cdot^\circ\text{F}\cdot\text{ft}^2)$.

La calculadora tiene dos modos:

1. Conducción; y
2. Conducción con convección en ambos lados.

Además, esta comienza con una sola capa de material, sobre la que puedes agregar o remover capas utilizando el botón añadir o eliminar.

Para hallar el coeficiente total de transferencia de calor y la resistencia térmica:

1. Selecciona el modo de transferencia de calor, por ejemplo, conducción.
2. Introduce el área de contacto, $A$.
3. Introduce el espesor inicial de la pared, $L_0$.
4. Introduce la conductividad térmica del material de la pared, $k_0$.
5. Añade más capas utilizando el botón Añadir según te convenga.
6. Repite los pasos 3 y 4 para todas las capas.
7. La calculadora proporciona la resistencia térmica y el coeficiente total de transferencia de calor según la configuración.

Halla el coeficiente total de transferencia de calor de una ventana que tiene 2 capas de vidrio de 2 mm de espesor con un espacio de 5 mm lleno de aire entre ellas. Toma el área de contacto como $1.2 \ \text{m}^2$. Utiliza las siguientes propiedades:

• Coeficiente de transferencia de calor por convección del aire, interior $h_i = 10 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$;
• Coeficiente de transferencia de calor por convección del aire, exterior $h_e = 40 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$;
• Conductividad térmica del aire, $k_{aire} = 0.026 \text{ W/m}\cdot\text{K}$; y
• Conductividad térmica del vidrio, $k_{vidrio} = 0.78 \text{ W/m}\cdot\text{K}$.

Para hallar la resistencia térmica y el coeficiente total de transferencia de calor:

1. Selecciona el modo de transferencia de calor, conducción y convección (en ambos lados).
2. Introduce el área de contacto, $A = 1.2 \text{ m}^2$.
3. Introduce el coeficiente de transferencia de calor por convección para la superficie interior, $h_i = 10 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
4. Rellena los datos de la capa inicial como $L_0 = 2 \text{ mm}$ y $k_0 = 0.78\text{ W/m}\cdot\text{K}$.
5. Utiliza el botón Añadir para insertar una 2ª capa.
6. Inserta las propiedades de la 2ª capa como $L_1 = 5 \text{ mm}$ y $k_1 = 0.026\text{ W/m}\cdot\text{K}$.
7. Utiliza el botón "Añadir" para insertar una 3ª capa.
8. Introduce las propiedades de la 3ª capa como $L_2 = 2 \text{ mm}$ y $k_2 = 0.78\text{ W/m}\cdot\text{K}$.
9. Introduce el coeficiente de transferencia de calor por convección de la superficie exterior, $h_e = 40 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
10. Utiliza la calculadora de resistencia térmica:

11. El coeficiente total de transferencia de calor es:

Es la relación entre el flujo de calor a través de una unidad de superficie y la diferencia de temperatura. El coeficiente de transferencia de calor mide lo bien que conduce el calor una estructura. Si el valor de esta constante de proporcionalidad es bajo, significa que el material es mejor aislante.

Para calcular el coeficiente de transferencia de calor:

1. Divide el espesor de la primera capa por la conductividad térmica del medio.
2. Repetir el paso anterior para todas las capas y sumarlas.
3. Halla el recíproco de la transferencia de calor por convección para la superficie interior y añádelo a la suma.
4. Halla el recíproco de la transferencia de calor por convección para la superficie exterior y añádelo a la suma.
5. Halla el recíproco del resultado para obtener el coeficiente de transferencia de calor.

Es la resistencia que ofrece el medio contra el flujo de calor que lo atraviesa. La resistencia térmica es también el recíproco del coeficiente global de transferencia de calor. Es deseable para los materiales de tipo aislante, como el algodón y la lana, mientras que es indeseable para los conductores.

Para calcular la resistencia térmica:

1. Divide el espesor de la primera capa por la conductividad térmica del medio.
2. Repite el paso anterior para todas las capas y súmalas.
3. Halla el recíproco de la transferencia de calor por convección para la superficie interior y añádelo a la suma.
4. Halla el recíproco de la transferencia de calor por convección para la superficie exterior y añádelo a la suma para obtener la resistencia térmica.

Alternativamente, puedes hallar el recíproco del coeficiente total de transferencia de calor para hallar la resistencia térmica.