Calculadora de Transferencia de Calor
Calcular tasa de transferencia de calor para conducción, convección y radiación. Calcula la transferencia de calor usando la ley de Fourier (conducción), la…
Calcula la transferencia de calor usando la ley de Fourier (conducción), la ley de enfriamiento de Newton (convección) y la ley de Stefan-Boltzmann (radiación). Devuelve la tasa de calor, densidad de flujo térmico y resistencia térmica.
¿Cuáles son los tres modos de transferencia de calor?
La transferencia de calor ocurre por tres mecanismos: conducción (a través de material sólido), convección (entre una superficie y un fluido en movimiento) y radiación (emisión electromagnética sin medio). Cada modo está gobernado por una ley diferente y depende de diferentes propiedades del material y geometría.
La conducción sigue la ley de Fourier: Q = k×A×ΔT/L, donde k es la conductividad térmica. La convección sigue la ley de enfriamiento de Newton: Q = h×A×ΔT, donde h es el coeficiente de convección. La radiación sigue la ley de Stefan-Boltzmann: Q = ε×σ×A×(T₁⁴−T₂⁴), donde ε es la emisividad y σ es la constante de Stefan-Boltzmann.
En equipos de procesos químicos — intercambiadores de calor, reactores, hornos y tuberías aisladas — los tres modos a menudo operan simultáneamente. Comprender sus contribuciones relativas es esencial para el diseño eficiente de equipos, optimización energética y control de temperatura.
Formula: Conducción: Q = k × A × ΔT / L Convección: Q = h × A × ΔT Radiación: Q = ε × σ × A × (T₁⁴ - T₂⁴) σ = 5.67 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴)
Ejemplo de cálculo
Conducción a través de una pared de acero de 50 mm (k = 50 W/m·K), área = 2 m², ΔT = 100°C: Q = 50 × 2 × 100 / 0,05 = 200.000 W = 200 kW. Resistencia térmica = L/(k×A) = 0,05/(50×2) = 0,0005 K/W.
Cuándo usar esta calculadora
- Estimación de pérdidas de calor para determinar espesor de aislamiento
- Comparación de tasas de transferencia de calor entre diferentes modos
- Dimensionamiento de intercambiadores de calor
- Evaluación de si se necesita blindaje contra radiación
Errores comunes a evitar
- Usar Celsius en vez de Kelvin para cálculos de radiación
- Asumir un solo coeficiente de convección para todas las condiciones
- Ignorar la resistencia de contacto entre superficies
- Olvidar que la conductividad térmica del aislamiento aumenta con la temperatura
Cómo interpretar los resultados
- Si la resistencia térmica es dominada por una capa, mejorarla da la mayor ganancia de eficiencia
- Densidad de flujo de calor muy alta (>100 kW/m²) puede indicar riesgo
- Verificar que la emisividad refleje la condición real de la superficie
Normas y referencias relacionadas
- ASTM C177 — Método de prueba estándar para propiedades de estado estacionario de conductividad y resistencia térmicas por el aparato de placa caliente guardada
- ASME PTC 4 — Código de prueba de rendimiento para hornos: establece procedimientos de medición de transferencia de calor en equipos de proceso de combustión
- ISO 6946 — Componentes y elementos de construcción: resistencia térmica y transmitancia térmica; aplica para cálculos de conducción en sistemas de aislamiento
- Incropera et al., Fundamentos de transferencia de calor y masa (7.ª ed.) — texto de referencia para correlaciones de transferencia de calor por convección y radiación
Preguntas frecuentes
¿Qué es la resistencia térmica y cómo se usa?
La resistencia térmica (R = ΔT/Q) es análoga a la resistencia eléctrica. Para conducción, R = L/(k×A). Para convección, R = 1/(h×A). Cuando múltiples capas o modos están en serie, la resistencia total es la suma de las resistencias individuales. Esto facilita el análisis de paredes compuestas, tuberías aisladas e intercambiadores de calor sumando resistencias.
¿Cuándo se vuelve importante la radiación respecto a la conducción y convección?
La radiación se vuelve significativa sobre unos 300°C y dominante sobre 600-800°C porque escala con T⁴. En hornos, kilns y reactores de alta temperatura, la radiación es el modo principal de transferencia de calor. A temperaturas ambiente, la radiación es típicamente una fracción pequeña de la transferencia de calor total a menos que la superficie esté en vacío (sin convección) o bien aislada (conducción mínima).
¿Cómo combino múltiples modos de transferencia de calor en un solo cálculo?
Para caminos en serie usar la analogía de resistencia térmica: R total = R_conv1 + R_cond + R_conv2. Para caminos en paralelo sumar las tasas de calor. El coeficiente global U combina todas las resistencias: 1/UA = Σ(1/hA) + Σ(L/kA).