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• Jose Paco Mamani

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Practica 6 Segundo Parcial Convección Forzada Externa

Práctica 6: Convección Forzada Externa Ejercicio 1: Durante un día frío de invierno el viento sopla a 42 km/h paralelo a una pared de 6 m de alto y 10 m de largo de una casa. Si el aire del exterior está a 5°C y la temperatura superficial de la pared es de 12°C, determine la velocidad de la pérdida de calor desde esa pared por convección. ¿Cuál sería su respuesta si se duplicara la velocidad del viento? Rpta: 10,8 kW; 19,4 kW

Ejercicio 2: Fluye agua a 43.3°C sobre una placa grande, a una velocidad de 30.0 cm/s. La placa tiene 1.0 m de largo (en la dirección del flujo) y su superficie se mantiene a una temperatura uniforme de 10.0°C. Calcule la razón estacionaria de la transferencia de calor por unidad de ancho de la placa. Rpta: 14400 W/m Ejercicio 3: Varias placas de acero del tipo AISI 1010, de espesor 6 mm y longitud 1 m se transportan desde un proceso de tratamiento de calor y se enfrían simultáneamente por el aire atmosférico de velocidad u∞=10 m/s y T∞=20ºC en flujo paralelo sobre las placas. Al salir del proceso de tratamiento de calor, la placa se encuentra a Ti=300ºC.

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¿Cuál es la tasa de transferencia de calor de la placa? ¿Cuál es la tasa de cambio correspondiente de la temperatura de la placa? La velocidad del aire es mucho mayor que la de la placa. Rpta: 6780 W; -0,26ºC/s Ejercicio 4: Una barra de combustible de un reactor nuclear es un cilindro circular de 6 cm de diámetro. La barra se probará enfriándola con un flujo de sodio a 110 °C con una velocidad de 5 cm/s perpendicular a su eje. Si la temperatura superficial de la barra no debe exceder 300 °C, estime la disipación de potencia máxima permisible en la barra. Rpta: 9,24 x 107 W/m3 Ejercicio 5: Un tubo largo de vapor de agua, de 12 cm de diámetro, cuya temperatura superficial externa es de 90°C pasa por alguna zona abierta que no está protegida contra los vientos. Determine la razón de la pérdida de calor del tubo por unidad de longitud, cuando el aire está a 1 atm de presión y a 7°C y el viento sopla a través del tubo a una velocidad de 65 km/h. Rpta: 1758 W/m Ejercicio 6: Los componentes de un sistema electrónico están localizados en un ducto horizontal de 1.5 m de largo cuya sección transversal es de 20 cm x 20 cm. No se admite que los componentes que están en el ducto entren en contacto directo con el aire de enfriamiento y, como consecuencia, se enfrían por medio de aire a 30°C que fluye sobre dicho ducto con una velocidad de 200 m/min. a) Si la temperatura superficial del ducto no debe exceder de 65°C, determine la potencia nominal total de los dispositivos electrónicos que se pueden montar en el interior de él. b) Repita el inciso a para un lugar a 3 000 m de altitud donde la presión atmosférica es de 70.12 kPa. Rpta: 640 W; 499 W

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Ejercicio 7: Una gotita esférica de agua de 1.5 mm de diámetro cae libre en aire atmosférico. Calcule el coeficiente de transferencia de calor por convección promedio cuando la gotita ha alcanzado su velocidad terminal. Suponga que el agua está a 50 °C y el aire a 20 °C. Ignore la transferencia de masa y la radiación. Rpta: 226 W/m2 Ejercicio 8: Estime: a) El coeficiente de transferencia de calor para una gotita esférica de combustible inyectada en un motor Diesel a 80 °C y 90 m/s. La gotita de combustible tiene un diámetro de 0.025 mm, la presión en el cilindro es 4 800 kPa y la temperatura del gas es de 944 K. b) El tiempo necesario para calentar la gotita a su temperatura de autoencendido de 600 °C. Rpta: 4,57 x 104 W/m2K; 360 μs Ejercicio 9: Se usa un arreglo de elementos eléctricos de calentamiento en un calefactor de ducto de aire, como se muestra en la figura (NL=3; NT=4). Cada elemento tiene una longitud de 200 mm y una temperatura superficial uniforme de 350°C. Al calefactor entra aire atmosférico con una velocidad de 8 m/s y una temperatura de 25°C. Determine la razón total de transferencia de calor y la temperatura del aire que sale del calefactor. Desprecie el cambio en las propiedades del aire como resultado del cambio en la temperatura a lo largo del calefactor. Rpta: 4703 W Operaciones Unitarias II – PRQ 502 Camacho Dalenz Rodrigo Marcelo

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Ejercicio 10: Se va a enfriar aire en la sección del evaporador de un refrigerador, al pasarlo sobre un banco de tubos de 0.8 cm de diámetro exterior y 0.8 m de largo en el interior, de los cuales se evapora el refrigerante a –20°C. El aire se aproxima al banco en la dirección perpendicular a 0°C y 1 atm, con una velocidad media de 5 m/s. Los tubos se encuentran dispuestos en forma alineada con pasos longitudinal y transversal de SL = ST = 1.5 cm. Se tienen 25 filas en la dirección del flujo con 15 tubos en cada una de ellas. Determine a) la capacidad de refrigeración del sistema b) la caída de presión a través del banco. c) la potencia necesaria para la bomba. Rpta: 16040 W; 529 Pa; 476,1 W

Ejercicio 11: Se usa un tanque esférico con un diámetro interno de 3 m y hecho de acero inoxidable (k=15 W/m · °C) de 1 cm de espesor para almacenar agua con hielo a 0°C. El tanque está ubicado en el exterior a 30°C y está sujeto a Operaciones Unitarias II – PRQ 502 Camacho Dalenz Rodrigo Marcelo

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vientos de 25 km/h. Si todo el tanque de acero está a 0°C y, por lo tanto, su resistencia térmica es despreciable, determine: a) La razón de la transferencia de calor hacia el agua con hielo que está en el tanque. b) La cantidad de hielo a 0°C que se funde durante un periodo de 24 h. El calor de fusión del agua a la presión atmosférica es hif=333.7 kJ/kg. Descarte cualquier transferencia de calor por radiación. Rpta: 7779 W; 2014 Kg

Ejercicio 12: La temperatura de ebullición del nitrógeno a la presión atmosférica al nivel del mar (1 atm) es de –196°C. Por lo tanto, el nitrógeno es de uso común en los estudios científicos a baja temperatura, ya que la temperatura del nitrógeno líquido en un tanque abierto a la atmósfera permanecerá constante a –196°C hasta que se agote. Cualquier transferencia de calor hacia el tanque tendrá como resultado la evaporación de algo del nitrógeno líquido, el cual tiene un calor de vaporización de 198 kJ/kg y una densidad de 810 kg/m3 a 1 atm. Considere un tanque esférico de 4 m de diámetro que está inicialmente lleno con nitrógeno líquido a 1 atm y –196°C. El tanque está expuesto al aire ambiente a 20°C y a vientos de 55 km/h. Se observa que la temperatura del tanque esférico de casco delgado es casi la misma que la del nitrógeno que está en su interior. Si descarta cualquier intercambio de calor por radiación, determine la razón de la evaporación del nitrógeno líquido en el tanque como resultado de la transferencia de calor del aire ambiente, si el tanque a) No está aislado. b) Está cubierto con aislamiento de fibra de vidrio (k=0.035 W/m·°C) de 5 cm de espesor. Operaciones Unitarias II – PRQ 502 Camacho Dalenz Rodrigo Marcelo

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c) Está cubierto con superaislamiento de 2 cm de espesor que tiene una conductividad térmica efectiva de 0.00005 W/m · °C. Rpta: 0,975 Kg/s; 0,0375 Kg/s; 1,38x10-4 Kg/s

Ejercicio 13: El peso de una placa plana delgada que tiene un tamaño de 50 cm x 50 cm se equilibra mediante un contrapeso que tiene una masa de 2 kg, como se muestra en la figura. Ahora se enciende un ventilador y aire a 1 atm y 25°C fluye hacia abajo sobre las dos superficies de la placa, con una velocidad de la corriente libre de 8 m/s. Determine la masa que es necesario añadir al contrapeso para equilibrar la placa en este caso. Rpta: 5,07 g

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Ejercicio 14: Una persona extiende sus brazos descubiertos hacia el viento que sopla en el exterior a 54°F y 30 mph para tener una sensación íntima de la naturaleza. En un principio, la temperatura de la piel del brazo es de 84°F. Si considera al brazo como un cilindro de 2 ft de largo y 3 in de diámetro, determine la razón de la pérdida de calor desde él. Rpta: 460 BTU/h Ejercicio 15: Se enfría una esfera pequeña de plomo, cuyo diámetro es de 3.0 mm, desde una temperatura promedio de 200°C hasta 54°C, dejándola caer dentro de una columna alta llena con aire a 27°C y 101.3 kPa. Se puede suponer que la velocidad terminal (Vt) de la esfera se alcanza con rapidez, de tal forma que la caída completa de ésta ocurre a velocidad constante, la cual se calcula a partir de:

en donde: - V=volumen de la esfera - g =9.81 m/s2 - ρaire=densidad del aire (1.18 kg/m3) - CD=coeficiente de arrastre (dado como 0.40) - AP=área de proyección de la esfera (πD2/4). Las propiedades del plomo son: - ρ=11 300 kg/m3 - k=33 W/m·K - cp=0.13 kJ/kg·K. a) Estime la velocidad terminal (Vt) de la esfera. b) Calcule el coeficiente de transferencia de calor para la esfera de plomo a su temperatura media. c) Calcule la altura de la columna para el enfriamiento indicado de la esfera de plomo. Rpta: 30,65 m/s; 374,1 W/m2K; 226 m

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