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Considérese la pared de una aeronave, de 4 mm de espesor de aluminio 7075 y 5 cm de espesor de aislante de k=0,035 W/(m·K), en vuelo de crucero con una temperatura en cabina de 22 ºC y una temperatura de pared exterior de 28 ºC (teniendo ya en cuenta la recuperación entálpica por la velocidad de vuelo). Suponiendo un coeficiente convectivo con el aire en cabina de 10 W/(m2·K), se pide:
a) Flujo de calor unitario.
b) Temperatura en ambas caras del aislante.
c) ¿Y si la pared resistente es de fibra de carbono (CFRP) de k=1,5 W/(m·K)?
d) ¿Y en las ventanillas? suponiendo formadas por una lámina externa de 12 mm y otra de 4 mm, ambas  de metacrilato, con 3,5 cm de aire de separación.
Datos:

> read"../therm_eq.m":read"../therm_proc.m":with(therm_proc):with(plots):

> su:="Aire":dat:=[delta1=4e-3*m_,delta2=50e-3*m_,Tskin=(-28+273.15)*K_,Tcabin=(22+273.15)*K_,h=10*W_/(m_^2*K_),kA=120*W_/(m_*K_),kI=0.035*W_/(m_*K_),kC=1.5*W_/(m_*K_),L1=12e-3*m_,L2=35e-3*m_,L3=4e-3*m_,kM=0.19*W_/(m_*K_)];dat:=op(dat),Const,SI2,SI1:Adat:=get_gas_data(su):

[delta1 = `+`(`*`(0.4e-2, `*`(m_))), delta2 = `+`(`*`(0.50e-1, `*`(m_))), Tskin = `+`(`*`(245.15, `*`(K_))), Tcabin = `+`(`*`(295.15, `*`(K_))), h = `+`(`/`(`*`(10, `*`(W_)), `*`(`^`(m_, 2), `*`(K_)))...
[delta1 = `+`(`*`(0.4e-2, `*`(m_))), delta2 = `+`(`*`(0.50e-1, `*`(m_))), Tskin = `+`(`*`(245.15, `*`(K_))), Tcabin = `+`(`*`(295.15, `*`(K_))), h = `+`(`/`(`*`(10, `*`(W_)), `*`(`^`(m_, 2), `*`(K_)))...
(1)

Image

Fig. 1. Aislamiento térmico y acústico en cabina de avión (TIaeronuatiche).

a) Flujo de calor unitario.

Se va a tomar k=120 W/(m·K) para el Al-7075, y k=0,19 W/(m·K) para el PMMA (ver Tabla).

> q:=(Tcabin-Tskin)/Sum(Ri,i);q:=(Tcabin-Tskin)/(delta1/kA+delta2/kI+1/h);q_:=subs(dat,%);

`/`(`*`(`+`(Tcabin, `-`(Tskin))), `*`(Sum(Ri, i)))
`/`(`*`(`+`(Tcabin, `-`(Tskin))), `*`(`+`(`/`(`*`(delta1), `*`(kA)), `/`(`*`(delta2), `*`(kI)), `/`(1, `*`(h)))))
`+`(`/`(`*`(32.70956710, `*`(W_)), `*`(`^`(m_, 2)))) (2)

i.e. se pierden 33 W/m2 por la pared (e.g. para un avión como el A320, aproximando a un cilindro de 4 m de diámetro y 35 m de largo, 33·35·pi·4=33·440=14 kW; nótese que los 180 pasajeros que podría llevar ya liberarían casi 18 kW de calor metabólico, por lo que, si se suma la disipación eléctrica en los equipos embarcados, todavía hay que refrigerar un poco con el aire acondicionado).

b) Temperatura en ambas caras del aislante.

> 'q'=k*DT/delta;T1:=Tskin+'q'*delta1/kA;T1_:=subs(dat,%);'T1_'=TKC(%);T2:='T1'+'q'*delta2/kI;T2_:=subs(dat,%);'T2_'=TKC(%);

q = `/`(`*`(k, `*`(DT)), `*`(delta))
`+`(Tskin, `/`(`*`(q, `*`(delta1)), `*`(kA)))
`+`(`*`(245.1510903, `*`(K_)))
T1_ = `+`(`-`(`*`(27.9989097, `*`(?C))))
`+`(T1, `/`(`*`(q, `*`(delta2)), `*`(kI)))
`+`(`*`(291.8790433, `*`(K_)))
T2_ = `+`(`*`(18.7290433, `*`(?C))) (3)

i.e. la pared de aluminio está a la temperatura de contacto de fuera, -28 ºC (no confundir con la temperatura del aire exterior lejano, que será de unos -55 ºC). El aislante, en contacto con el aluminio está a -28 ºC, y por el interior de la cabina a casi 19 ºC.

c) ¿Y si la pared resistente es de fibra de carbono (CFRP) de k=1,5 W/(m·K)?

Basta cambiar la k del aluminio por la de la fibra de carbono:

> q:=(Tcabin-Tskin)/(delta1/kC+delta2/kI+1/h);q_:=subs(dat,%);T1:=Tskin+'q'*delta1/kC;T1_:=subs(dat,%);'T1_'=TKC(%);T2:='T1'+'q'*delta2/kI;T2_:=subs(dat,%);'T2_'=TKC(%);

`/`(`*`(`+`(Tcabin, `-`(Tskin))), `*`(`+`(`/`(`*`(delta1), `*`(kC)), `/`(`*`(delta2), `*`(kI)), `/`(1, `*`(h)))))
`+`(`/`(`*`(32.65331510, `*`(W_)), `*`(`^`(m_, 2))))
`+`(Tskin, `/`(`*`(q, `*`(delta1)), `*`(kC)))
`+`(`*`(245.2370755, `*`(K_)))
T1_ = `+`(`-`(`*`(27.9129245, `*`(?C))))
`+`(T1, `/`(`*`(q, `*`(delta2)), `*`(kI)))
`+`(`*`(291.8846685, `*`(K_)))
T2_ = `+`(`*`(18.7346685, `*`(?C))) (4)

i.e. la pared resistente (que ahora es de CFRP) sigue estando prácticamente a la temperatura de contacto de fuera, -28 ºC, y el aislante tampoco cambia mucho de temperaturas sigue estando a -28 ºC por fuera, y a 19 ºC por dentro). La explicación es que, de las tres resistencias térmicas en serie, la del aislane, RI=delta2/kI=0,05/0,035=1,4 K/(W/m2), sigue siendo la predominante (la de la fibra CFRP es RC=delta1/kC=0,003 K/(W/m2), y la del aire de cabina RA=1/h=0,1 K/(W/m2)).

d) ¿Y en las ventanillas? suponiendo formadas por una lámina externa de 12 mm y otra de 4 mm, ambas  de metacrilato, con 3,5 cm de aire de separación.

Suponiendo que el aire atrapado estuviese quieto:

> q:=(Tcabin-Tskin)/(L1/kM+L2/ka+L3/kM);q_:=subs(dat,ka=k,Adat,dat,%);T1:=Tskin+'q'*L1/kM;T1_:=subs(dat,ka=k,Adat,dat,%);'T1_'=TKC(%);T2:='T1'+'q'*L2/ka;T2_:=subs(dat,ka=k,Adat,dat,%);'T2_'=TKC(%);T3:='T2'+'q'*L3/kM;T3_:=subs(dat,ka=k,Adat,dat,%);'T3_'=TKC(%);

`/`(`*`(`+`(Tcabin, `-`(Tskin))), `*`(`+`(`/`(`*`(L1), `*`(kM)), `/`(`*`(L2), `*`(ka)), `/`(`*`(L3), `*`(kM)))))
`+`(`/`(`*`(32.41398921, `*`(W_)), `*`(`^`(m_, 2))))
`+`(Tskin, `/`(`*`(q, `*`(L1)), `*`(kM)))
`+`(`*`(247.1971993, `*`(K_)))
T1_ = `+`(`-`(`*`(25.9528007, `*`(?C))))
`+`(T1, `/`(`*`(q, `*`(L2)), `*`(ka)))
`+`(`*`(294.4676002, `*`(K_)))
T2_ = `+`(`*`(21.3176002, `*`(?C)))
`+`(T2, `/`(`*`(q, `*`(L3)), `*`(kM)))
`+`(`*`(295.1500000, `*`(K_)))
T3_ = `+`(`*`(22.0000000, `*`(?C))) (5)

ahora, el aire atrapado quedaría entre T1=-26 ºC y T2=21 ºC, y la cara del plástico que da a la cabina a 22 ºC. Sin embargo, no es buena aproximación considerar que el aire entre ambas láminas de plástico esté en reposo. Para una relación de altura de ventana, H=0,25 m, sobre espesor de aire L=0,035 m (H/L=7), hay que usar un coeficiente convectivo obtenido de la correlación para  Vertical rectangular enclosure:

> eqNu:=h*L/k=0.22*(Ra*Pr/(0.2+Pr))^0.28*(L/H)^0.25;eqPr:=Pr=0.7;eqRa:=Ra=g*alpha*DT*L^3/(nu*a);eqRa_:=subs(alpha=2/(Tcabin+Tskin),DT=Tcabin-Tskin,L=L2,a=k/(rho*c[p]),nu=mu/rho,rho=p0/(R*T0),Adat,dat,eqRa);eqNu_:=h*L/k=subs(eqPr,eqRa_,L=L2,H=0.25*m_,Adat,dat,rhs(eqNu));h_:=subs(L=L2,Adat,dat,solve(%,h));

`/`(`*`(h, `*`(L)), `*`(k)) = `+`(`*`(.22, `*`(`^`(`/`(`*`(Ra, `*`(Pr)), `*`(`+`(.2, Pr))), .28), `*`(`^`(`/`(`*`(L), `*`(H)), .25)))))
Pr = .7
Ra = `/`(`*`(g, `*`(alpha, `*`(DT, `*`(`^`(L, 3))))), `*`(nu, `*`(a)))
Ra = 265019.9176
`/`(`*`(h, `*`(L)), `*`(k)) = 4.139160075
`+`(`/`(`*`(2.838281194, `*`(W_)), `*`(`^`(m_, 2), `*`(K_)))) (6)

i.e. h=3 W/(m2·K) para el aire interior, que al estar encerrado sufre una menor convección natural que el aire de cabina. Por tanto:

> q:=(Tcabin-Tskin)/(L1/kM+1/'h_'+L3/kM);q_:=subs(dat,ka=k,Adat,dat,%);T1:=Tskin+'q'*L1/kM;T1_:=subs(dat,ka=k,Adat,dat,%);'T1_'=TKC(%);T2:='T1'+'q'*1/h_;T2_:=subs(dat,ka=k,Adat,dat,%);'T2_'=TKC(%);T3:='T2'+'q'*L3/kM;T3_:=subs(dat,ka=k,Adat,dat,%);'T3_'=TKC(%);

`/`(`*`(`+`(Tcabin, `-`(Tskin))), `*`(`+`(`/`(`*`(L1), `*`(kM)), `/`(1, `*`(h_)), `/`(`*`(L3), `*`(kM)))))
`+`(`/`(`*`(114.5379768, `*`(W_)), `*`(`^`(m_, 2))))
`+`(Tskin, `/`(`*`(q, `*`(L1)), `*`(kM)))
`+`(`*`(252.3839775, `*`(K_)))
T1_ = `+`(`-`(`*`(20.7660225, `*`(?C))))
`+`(T1, `/`(`*`(.3523259084, `*`(q, `*`(`^`(m_, 2), `*`(K_)))), `*`(W_)))
`+`(`*`(292.7386742, `*`(K_)))
T2_ = `+`(`*`(19.5886742, `*`(?C)))
`+`(T2, `/`(`*`(q, `*`(L3)), `*`(kM)))
`+`(`*`(295.1500000, `*`(K_)))
T3_ = `+`(`*`(22.0000000, `*`(?C))) (7)

i.e. ahora vemos que se pierde más calor por las ventanillas (115 W/m2 en vez de los 32 W/m2 antes calculados), que el aire encerrado toca a T1=-21 ºC el plástico de fuera y a T2=20 ºC el de dentro, que sigue estando a 22 ºC por el lado de la cabina.

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