Ejercicios de transferencia de calor en tubos

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Sistemas radiales Transferencia de calor 
Tubo hueco 
 
1. A través de un tubo de acero (AISI 1010), de 60 mm de diámetro interior y 75 mm de diámetro 
exterior, fluye vapor a una temperatura de 250°C. El coeficiente de convección entre el vapor y la 
superficie interna del tubo es 500 W/m
2
K, mientras que entre la superficie externa del tubo y los 
alrededores es 25 W/m
2
·K. La temperatura del aire alrededor del tubo es de 20°C. ¿Cuál es la pérdida 
de calor por unidad de longitud de tubo? ksteel = 56.5 W/mK 
 
Respuesta: Q/L== 1270.7 W/m 
 
Tubos multicapa 
 
2. Una tuberíade vapor de 0.12 m de diámetro exterior se aísla con una capa de silicato de calcio. Si el 
aislante tiene 20 mm de espesor, las superficies interna del aislante y la externa del aislante se 
mantienen a Ts, 1 = 800 K y Ts, 2 = 490 K, respectivamente, ¿cuál es la pérdida de calor por unidad de 
longitud de la tubería? 
 k(645 K) = 0.089 W/mK. Respuesta= Q/L= 602.6 W/m 
 
 
3. Una tubería de hierro forjado (Do=5.755 cm, Di=5.113 cm) conduce en su interior vapor de agua a 
alta presión. El tubo tiene un recubrimiento aislante de magnesia (k=0.071 W/mºC), la superficie 
externa del recubrimiento es de 30 ºC. Las pérdidas de calor por unidad de longitud de tubo se han 
estimado en 147.5 W/m. Determine la temperatura interna de la pared del tubo. ( khierro=55 W/mºC) 
Respuesta. Ts,i=150 ºC 
 
4. Un tubo de paredes gruesas de acero inoxidable (kacero = 19 W/m °C ) de 2 cm de diámetro interior y 
4 cm de diámetro exterior se cubre con una capa de 3 cm de aislante de asbesto (kasbesto= 0,2 W/mK). 
Si la temperatura de la pared interna del tubo se mantiene a 6OO °C y la temperatura en la superficie 
del asbesto es de 100 °C, determine lo siguiente: 
a) Flujo de calor por metro de longitud Respuesta: Q/l= 680 W/m 
b) Temperatura de la interfaz tubo-aislante. Respuesta: Tinterfaz=595.8 °C 
 
 
5. Una tubería de acero (k = 47 W/mºC) conduce vapor de agua. La temperatura superficial interna es de 
250 °C. La tubería tiene un diámetro interior de 8 cm y un espesor de pared de 5.5 mm y está 
recubierta de una capa de 9 cm de un aislante que tiene k = 0.5 W/mºC, seguida de una capa de 4 cm 
de aislante con k = 0.25 W/mºC. La temperatura exterior del aislamiento es 20 ºC. Calcúlese la 
pérdida de calor por metro de longitud. 
 
 
Coeficiente global en tubos 
 
6. Por el interior de un tubo de acero inoxidable (Kacero=16 W/m°C ) de 2.5 cm de diámetro interior 
circula agua a 50 °C de modo que hagua= 3 500 W/m
2
°C. El tubo tiene un espesor de 2 mm y se 
encuentra expuesto al aire ambiente a 30 °C ( haire = 7.6 W/m
2
°C) . Calcule: 
a) El coeficiente global de transferencia de calor, con respecto al área externa (R. U=7.57 W/m2°C) 
Sistemas radiales Transferencia de calor 
b) La pérdida de calor por unidad de longitud hacia el aire circundante (R. Q/L= 26 W/m) 
 
7. Por el interior de una tubería de aleación de aluminio (k=186 W/mK) de 2.5 cm de diámetro interior 
circula agua. El espesor de la pared es 2 mm. El coeficiente convectivo en el interior es 500 W/m
2
K. 
El coeficiente de convección en el exterior es 12 W/m
2 
ºC. Calcule: 
a) el coeficiente global de transferencia de calor 
b) Si la temperatura del agua es de 80 ºC y la del aire externo es de 25 ºC. Determine el flujo de 
calor por unidad de área de tubería 
 
 
(R. U= 11.7 W/m
2
°C Q/A= 641.85 W/ m
2
) 
Espesor crítico de aislamiento 
 
8. La superficie externa de una tubería de 5.0 cm de diámetro a 200 °C se halla expuesta al aire de una 
habitación a 20 °C (h = 3.0 W/m
2
°C). Determine lo siguiente: 
a) Pérdida de calor de la tubería por unidad de longitud 
b) Si la tubería se recubre de asbesto como aislante [k = 0.17 W/m°C], determine el radio crítico y el 
espesor crítico de aislamiento para el asbesto, a las condiciones de operación del tubo. 
c) Pérdida de calor cuando el tubo se cubre con el espesor de asbesto correspondiente al radio crítico 
de aislamiento 
Respuestas : a) Q/L= 105.7 W/m b) rc= 5.67 cm c) ec=3.17 cm 
 
9. De acuerdo a las condiciones de operación del ejercicio anterior determine el radio crítico y el espesor 
crítico de aislamiento si se utiliza fibra de vidrio (kf vidrio = 0.04 W/m ºC) como aislante. Calcule 
también la pérdida de calor para estas condiciones de aislamiento 
 
 
(R. rc= 1.33 cm ec=1.17 cm ) Q/L= 121.8 W/m 
 
Esferas 
 
10. Una esfera hueca está fabricada de aluminio, con un diámetro interior de 4 cm y un diámetro exterior 
de 8 cm. La temperatura interna de la pared es de 100 ºC y la temperatura exterior es 50 ºC. Calcule 
la transferencia de calor. (kaluminio = 238 W/mK) 
 
Respuestas : a) Q= 5981 W 
 
11. Supóngase que la esfera del ejercicio anterior está recubierta por una capa de 1 cm de un material 
aislante con k = 50 mW/mºC . La temperatura exterior del aislante esta a 10 ºC en un entorno con 
 h = 20 W/m
2 
ºC. La temperatura interna de la pared de la esfera se mantiene a 100 ºC. Calcule la 
transferencia de calor bajo estas condiciones. 
Respuestas : Q= 56 W