Ejercicios de Mirleth Rodríguez

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EJERCICIOS DE TRASNFERENCIA DE CALOR I (1er PARCIAL) 
 
Ejercicio 1: ( 3.15 Incropera). 
Se tiene una pared compuesta como se muestra en la figura, ambos lados de la pared están 
expuestos a un fluido(hi=30 W/m2K, T∞i=20°C, ho=60 W/m2K, T∞o= -15°C ) y el área de la 
superficie es de 350 m2. 
1) Realice el circuito equivalente. 
2) Determine una expresión para la resistencia térmica total. Rtot. 
3) Calcule el coeficiente global de transferencia de calor U y el flujo de calor q 
4) Si ho se eleva a 300 W/m2K, determine el % de aumento en q. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ejercicio 2: ( 3.46 Incropera). 
Un tubo de acero AISI 1010 de 60 mm de diámetro interior y 75 mm de diámetro exterior por el 
cual fluye vapor de agua a 250°C (hi=500 W/m2K) mientras que la superficie externa está expuesta 
a aire (ho=25 W/m2K, T∞o= 20°C). La emisividad de la superficie es de 0,8 y la temperatura de los 
alrededores es de 20°C. 
 
1) Realice el circuito equivalente. 
2) Determine el calor por unidad de longitud del tubo. 
3) Calcule el coeficiente global de transferencia de calor U externo. 
 
Ejercicio 3: 
Se tiene una cava de dimensiones 30cm (ancho)x 40 cm (alto)x 60cm (largo), compuestas por 
paredes plásticas de 5mm de espesor (k=0,09 W/mK) con un aislante de 3cm entre ellas 
(k=0,033 W/mK). Se coloca la cava con 46 kg de hielo dentro en el suelo en un ambiente expuesto 
al aire. En todo momento las paredes internas se mantienen a 0 °C. Dadas las siguientes 
condiciones: 
-Calor de fusión del hielo (333,7 KJ/kg). 
- Flujo neto de radiación a la cava 100 W/m2. 
- h∞=15 W/m2K, T∞= 29°C 
- Tsuelo= 25°C (sombra), Tsuelo= 30°C (sol). 
- La resistencia térmica de contacto entre el suelo y la cava es de 0,45 K m2/W. 
1) Realice el circuito equivalente. 
2) Calcule cada una de las resistencias. 
3) Calcule la temperatura externa de las paredes expuestas al aire. 
4) Calcule el tiempo que tardaría en derretirse el hielo. 
 
 
 
 
 
 
A B C 
hi, T∞i ho,T∞o 
A: Tablero de yeso, con 10 mm de espesor 
B: Fibra de vidrio (ρ=28 kg/m3), con 100 mm 
de espesor 
C: madera laminada, con 20 mm de espesor 
Oxígeno 
Líquido 
-183ºC 
1 atm 
Aluminio Aire 
Ejercicio 4: (Cengel) 
En un hospital se tiene un tanque de almacenamiento de Oxígeno Líquido a 1 atm y -183ºC. El 
tanque es una esfera de 2m de diámetro externo y 1cm de espesor, fabricada en Acero Inoxidable 
(kAcero= 15 W/m·K). El tanque esta expuesto al ambiente a 30ºC con un coeficiente de convección 
externo de 35 W/m2·K. Se desea evaluar dos posibles formas de aislamiento, la primera, 
envolviendo al tanque con una capa de aislante de fibra de vidrio (kfibra= 0,035 W/m·K) de 5cm de 
espesor. Y la segunda, envolviendo al tanque con una coraza de Aluminio (kAluminio= 238 W/m·K) 
de 2mm de espesor, pero dejando un espacio de Aire (kAire= 0,021 W/m·K) de 10cm entre el 
tanque y la coraza. Suponiendo que el coeficiente de convección del oxígeno líquido es 1500 
W/m2·K: 
 
a. Plantee la resolución del problema, incluya diagrama de resistencias 
b. Determine el calor transferido usando tanque solo 
c. Determine el calor transferido usando tanque con fibra de vidrio 
d. Determine el calor transferido usando tanque con la coraza 
e. Calcule el coeficiente Global U para el tanque con la coraza 
f. Compare sus resultados y comente, cual esquema seleccionaría 
 
Ejercicio 5. (Holman) 
La pared compuesta de un horno consiste en tres materiales, dos de los cuales son de conductividad 
térmica y espesor conocidos kA= 20 W/m K , LA=0,30 m y kC=50 W/m K, LC=0,15 m. Se intercala 
un material B entre A y C con un espesor de LB=0,15 m. En condiciones estables las mediciones 
revelan una temperatura de la superficie externa de 20°C y una temperatura de superficie interna de 
600°C. La temperatura del aire dentro del horno es de 800°C y el coeficiente de convección interna 
es de 25 W/m2K. 
 
a. Plantee la resolución del problema, incluya diagrama de resistencias 
b. Determine la conductividad térmica del material B 
c. Determine el calor que atraviesa la pared del horno por metro cuadrado 
d. Calcule las temperaturas en ambas caras del material B. 
 
 
 
 
A 
 
B 
 
C 
UNIVERSIDAD SIMON BOLIVAR 
TRANSFERENCIA DE CALOR I (TF-2251) 
Prof. Mirleth Rodríguez 
 
 
 
PROBLEMA 1 
 
En el esquema adjunto se representa un material compuesto por láminas de las características 
señaladas. Determine el flujo de calor a través de la pared de 5m x 10m. 
 
 
La conductividad del material de las láminas delgadas es de 8 w/m-ºC y el de las gruesas 6w/m-ºC 
 
 
PROBLEMA 2 
 
Un tanque como el mostrado en la figura está diseñado para contener un líquido a 180ºC. El tanque esta 
construido con una sección cilíndrica de 1,2 m de diámetro interno y 2 m de longitud, en cuyos 
extremos se encuentran secciones semi-esféricas. 
 
El metal del que se construye el tanque tiene 1 cm de espesor y esta hecho de un material de 15 
W/m·ºC de conductividad térmica. El tanque se encuentra aislado con una capa de 8cm de un material 
aislante de conductividad 0,12 W/m·ºC. 
 
El coeficiente interno de convección es de 50 W/m
2
·ºC y el externo de 8 W/m
2
·ºC. 
 
La temperatura del ambiente es de 30ºC. 
 
Determine la cantidad de energía que debe ser suministrada al líquido para que su temperatura 
permanezca constante. 
 
 
 
h2 = 25 W/m
2
·ºC ; T2 = 30ºC 
 
 
 
 
 
 
h1= 12W/m
2
·ºC ; T1 = 12ºC 
3 cm 
1 cm 
Si el sistema de calefacción se dañase, determine en forma aproximada el tiempo en que la temperatura 
del líquido caería en 1ºC (suponga que el líquido en todo momento tiene temperatura uniforme porque 
está suficientemente bien mezclado). El Cp del líquido es de 3500 J/kg·ºC y la densidad 950 kg/m
3
. 
 
 
 
 
 
PROBLEMA 4 
 
Una tubería de 2” de diámetro externo y 4 pies de longitud tiene colocadas sobre su superficie externa y 
en la misma dirección de su eje, 16 aletas rectangulares de ⅛” de espesor y 1” de longitud. 
 
La temperatura de la pared es de 220ºF, el coeficiente externo 6 BTU/h·ft
2
·ºF, la conductividad de las 
aletas 18 BTU/h·ft·ºF y la temperatura del ambiente 60ºF. 
Determine la velocidad de transferencia de calor al ambiente. 
 
Tanque de Almacenamiento 
(corte longitudinal) 
2 m 
1,2 m 
Tamb = 30ºC 
 
hamb = 8 W/m
2
·ºC 
Tliq = 180ºC 
 
hliq = 50 W/m
2
·ºC 
EJERCICIOS DE TRASNFERENCIA DE CALOR I (2do PARCIAL) 
 
Ejercicio 1: 
Una tubería horizontal de 15cm de diámetro y 4 m de longitud está enterrada a una profundidad de 
20cm. La temperatura de la pared de la tubería es de 75°C y la temperatura de la superficie de la 
tierra es de 5°C. Suponiendo que la conductividad de la tierra es de 0,8 W/m K, calcule el calor 
perdido por la tubería. 
 
Ejercicio 2: 
Un horno industrial grande se apoya sobre una columna larga de ladrillo de arcilla que tiene 1x1m 
de lado. Durante la operación en estado estable la instalación es tal que tres superficies se 
mantienen a 500 K mientras que la otra se expone a un flujo de aire (T∞=300 K y h=10 W/m2 K). 
Determine la distribución de temperatura bidimensional (∆x=∆y=0,25m) y la transferencia de calor 
al flujo de aire por unidad de longitud de la columna. (karcilla=1 W/m K) 
 
Ejercicio 3: 
Una pared plana de 0,1 m de espesor y conductividad térmica de 25W/m K con generación 
uniforme de calor de 0,3MW/m3 se aísla en uno de sus lados mientras que el otro lado se expone a 
un fluido a 92°C. El coeficiente de transferencia de calor por convección es de 500 W/m2 K. 
Determine la distribución de temperaturas en la pared con un orden de error de (∆x)2. Encuentre la 
solución analítica y compare los resultados. 
 
Ejercicio 4: 
Una esfera de acero (k=35 W/m K, C=0,46 kJ/kg K) de 5 cm de diámetro e inicialmente a una 
temperatura uniforme de 450°C, se coloca repentinamente en un ambiente a una temperatura de 
100 °C y h=10 W/m2 K. Calcule el tiempo necesario para que la esferaalcance una temperatura de 
150°C (ρ=7800 kg/m3) 
 
Ejercicio 5. 
Un cilindro macizo muy largo (r =0,15m, k=20 W/m K ) , se somete a una corriente eléctrica que 
produce calor a razón de 1,5MW/m3. Si en el centro del cilindro está aislado y la temperatura de la 
superficie es de 400 K determine el perfil de temperaturas en el cilindro con un total de 7 nodos. 
Compare los resultados con la solución analítica. 
 
Ejercicio 6. 
Se tiene una cuchara larga de acero inoxidable (k=8,5 BTU/hr.ft. °F) sumergida parcialmente en 
agua a 200 °F . El mango de la cuchara tiene un perfil rectangular de 0,5 plg x 0,08 plg. El aire de la 
cocina se encuentra a 75°F con un coeficiente de convección de 3BTU/hr. Ft. °F. Utilizando un 
mínimo de 7 nodos a lo largo del mango de la cuchara determine: 
1. Plantee la ecuación diferencial y las condiciones de borde apropiadas para el mango de 
la cuchara. 
2. Calcule el perfil de temperaturas del mango de la cuchara e indique a partir de qué punto 
se puede tomar con la mano. (T<100°F). 
 
 
 
Prof. Mirleth Rodríguez