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FENOMENOS DE TRANSPORTE

TRANSFERENCIA DE CALOR EJERCICIOS PROPUESTOS 1. Una tubería compuesta por tres capas concéntricas tiene un diámetro interior de 1 cm y una temperatura en la superficie interior de 120 °C. Las características de las distintas capas, desde dentro hacia fuera son: 2 cm de espesor y k=15 W/m°C la primera, 3 cm de espesor y k=0.04 W/m°C la segunda y 1 cm de espesor y k=164 W/m°C la tercera. La temperatura en la superficie exterior es 60 °C. En estas condiciones: a) Calcular el flujo de calor a través de la tubería en estado estacionario b) Sugerir una simplificación que permita una estimación rápida 2. Una pared plana esta expuesta a una temperatura ambiental de 38°C. La pared esta cubierta por una capa de aislamiento de 2.5 cm. de espesor cuya conductividad térmica es 1.8 W/m.°K y la temperatura de la pared en la parte exterior del aislante es 320°C. La pérdida de calor de la pared al ambiente es por convección. Calcular el valor del coeficiente convectivo de transferencia de calor que debería mantener la superficie exterior del aislante seguro, y que esta temperatura no exceda los 40°C. 3. Un congelador con 4 m de ancho, 6 m de longitud, y 3 m de altura está siendo construido. Las paredes y el techo contienen 1.7 mm de espesor de acero inoxidable (k = 15 W/ m.°C), 10 cm de espesor de espuma aislante (k = 0.036 W/m.°C), algo de espesor de una capa de corcho (k = 0.043 W/m. °C) a ser estabilizado, y 1.27 cm de espesor de madera (k = 0.104 W/m.°C). el interior de congelador se mantiene a – 40°C. El aire del ambiente fuera del congelador está a 32°C. El coeficiente convectivo de transferencia de calor es 5 W/m2.K en la madera y 2 W/m2.K en el acero. Si en el exterior el aire tiene un punto de rocío de 29°C, calcular el espesor del aislante de corcho que podría prever condensación de la humedad en la pared exterior del congelador. Calcular el flujo de transferencia de calor a través de las paredes y el techo en este congelador. 4. Una tubería de metal es usada para bombear pasta de tomate, el coeficiente global de transferencia de calor basado en el área interna es 2 W/m2.°K. El diámetro interno de la tubería es 5 cm. La tubería tiene 2 cm de espesor. La conductividad térmica del metal es 20 W/m.°K. Calcular el coeficiente convectivo de transferencia de calor externo. El coeficiente convectivo de transferencia de calor interno es 5 W/m2.°K. 5. Una tubería de acero (diámetro externo = 100 mm) es cubierto con dos capas de aislantes. La capa interna, de 40 mm de espesor tiene una conductividad térmica de 0.07 W/m.°K. La capa externa, tiene 20 mm de espesor, con una conductividad térmica de 0.15 W/m.°K. La tubería es usada para transportar vapor a una presión de 700 KPa. La temperatura del aislante en el exterior es 24°C. Si el tubo tiene 10 m de largo, determinar lo siguiente, asumiendo que la resistencia a la transferencia de calor por conductividad en la tubería de acero y la resistencia conductiva en el vapor son despreciables: a) La pérdida de calor por hora. b) La temperatura de interfase en el aislante. 6. Un horno que trabaja a alta temperatura es protegido por una pared de un espesor total de 40 cm, la superficie interior está a 800 °C, la pared está construida por dos

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capas, la capa interna es ladrillo (Ki=0.83 W/m °k) y la otra capa es de aislante (Ke= 0.16 W/m °k), la temperatura máxima que soporta el aislante es de 720 °C, la temperatura de la superficie exterior es de 30 °C. Calcular el flujo de calor (W/m2), y el espesor de cada capa (m). 7. Un tubo cilíndrico de plástico cuyo radio interno es 0.5 cm y radio exterior de 2 cm se usa como serpentín de enfriamiento por su interior fluye agua fría y la pared interna tiene una temperatura de 274.9 °K y la superficie externa tiene una temperatura de 297.1 °K. El serpentín debe extraer 14.65 W, el coeficiente de conductividad para el tubo es de 0.151 W/m °K. Cuantos metros de tubo se necesitan? 8. Dos tubos concéntricos están dispuesto de la siguiente manera: Tubo interno: (acero) Diámetro exterior = 4 pulg. Espesor = 0.45 cm K = 17 W/m°C Conduce aceite caliente a 135 °C, h=450 W/m2-°K Tubo exterior: (aislante plástico) Diámetro exterior = 8 pulg. Espesor = 0.015 m K = 0.035 W/m°C Conduce agua , h=25 W/m2-°K

Calcular la velocidad de transferencia de calor Si la temperatura del aire (h=5 W/m2-°K) es 25 °C y la temperatura interior del tubo plástico es de 80 °C. 9. La pared de una cámara de almacenamiento se está construyendo con un revestimiento externo de plomo (espesor = 1/8 pulg, K=20 BTU/hr pie °F) y en la superficie interna se coloca una plancha de acero (espesor 1/4 pulg K= 26 BTU/hr pie °F) y el centro está conformado por ladrillo (K= 0.5 BTU/hr pie °F), la temperatura exterior (plomo) está a 190 °F y el aire (h= 2 BTU/hr pie2 °F) del lado interior está a 80 °F. Determinar el grosor del ladrillo usado como aislante para que la temperatura en la superficie interior (acero) no sea mayor de 140 °F. 10. Se desea mantener a 7 °C el interior de un refrigerador cuyas dimensiones en la base son 65 cm por 90 cm y la altura es de 1.25 m; las paredes del refrigerador están constituidas por dos láminas de acero de 0.318 cm de espesor con 5 cm de aislante de fibra de vidrio entre las laminas de acero con un K=73 W/m °k para el acero y K=0.040 W/m °k para la lana de vidrio; los coeficientes de convección en el interior es 10 W/m2 °c y en el exterior 15 W/m2 °c. Si la temperatura ambiente en la cocina es de 28 °C estime el flujo de calor que debe extraerse para mantener las condiciones especificadas. 11. Un tubo de paredes gruesas de acero inoxidable (K=21.63 W/m °K) de diámetro interno 0.0254 m el diámetro externo es 0.0508 m, es recubierto con una capa de aislamiento de asbesto (K=0.243 W/m °K) de 0.0254 m de espesor. La pared interna del tubo es de 811 °K y la temperatura del medio ambiente (aire) es 15 °C donde el valor de h=150 W/m2-°K. Para una longitud de 30.5 cm de tubo calcular el flujo de calor y la temperatura de interfase.

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12. Un tubo de acero de 5 cm de diámetro externo es cubierto con 6.4 mm de asbesto K = 0.166 W/m °C seguido de otra capa de fibra de vidrio con igual espesor K=0.048 W/m °C. La temperatura de la pared del tubo es 315 °C, la temperatura externa del aislamiento es 38 °C. Calcular la temperatura de la interfase entre el asbesto y la fibra. 13. Una pared de concreto de 10 m2 k= 1 W/m °k de 10 cm de espesor tiene sus superficies a 80 y 40 °C respectivamente, que espesor de pared permitirá reducir a la mitad la temperatura del lado frió de la pared. 14. La pared de un horno de 0.244 m de espesor se construye con un material que tiene una conductividad térmica de 1.3 W/m°K. La pared estará aislada en el exterior con un material que tiene una k promedio de 0.346 W/m °K, de tal manera que las pérdidas de calor en el horno sean iguales o inferiores a 1830 W/m2. La temperatura de la superficie interior es 1588 °K y la de la externa es 299 °K. Calcular el espesor del aislante necesario. 15. Un horno rectangular con dimensiones internas de 1.0x1.0x2.0 m tiene un grosor de pared de 0.20 m. La k de las paredes es 0.95 W/m °K, el interior del horno se conserva a 800 °K y el exterior a 350 °K. Calcule la pérdida de calor total del horno. 16. Se desea utilizar una tubería de acero inoxidable(k=17 w/m°C) para transportar aceite caliente (h=235 w/m2°C), la temperatura en la superficie interior del tubo es 113 °C, tiene un espesor de 2 cm y 8 cm de diámetro interior, este tubo es aislado con 0.04 m de asbesto(k=0.035 w/m°c) reduciendo la temperatura de la cara exterior a 25 °C. Calcular: La temperatura de interfase tubo-asbesto La temperatura del aceite 17. Una tubería de 30 m. de largo y diámetro externo de 75 mm. es usada para transportar vapor a razón de 1000 kg/hr. La presión del vapor es 198.53 kPa. El vapor que ingresa al tubo tiene una fracción seca de 0.98 y debería salir de la tubería con una fracción seca mínima de 0.95. El aislamiento produce una conductividad térmica de 0.2 W/m.°K. Determinar el mínimo espesor requerido para la aislamiento. La temperatura en la superficie externa del aislante se asume en 25°C. Despreciar la resistencia conductiva del material del tubo y asumir que no existe caída de presión a través de la tubería. 18. Vapor a 150°C fluye a través de una tubería que tiene un radio interior de 50 mm y un radio exterior de 55 mm. el coeficiente convectivo de transferencia de calor entre el vapor y la pared interior de la tubería es 2500 W/m2.°C. La superficie exterior de la tubería está expuesta a una temperatura ambiente de 20°C con un coeficiente convectivo de transferencia de calor de 10 W/m2.°C. Asumiendo un estado estable y sin generación de calor, calcular el flujo de transferencia de calor por metro, desde el vapor al aire a través de la tubería. Asumir que la conductividad térmica del acero inoxidable es 15 W/m.°C. 19. La pared exterior de un cuarto de almacenamiento refrigerado tiene 10 m de largo y 3 m de altura y es construida con 100 mm de bloque de concreto (k = 0.935 W/m.°C) y 10 cm de una placa de fibra aislante (k = 0.048 W/m.°C). El interior del cuarto está a –10°C y el coeficiente convectivo de transferencia de calor es 40 W/m2.°K, mientras que la temperatura en el exterior es 30°C con un coeficiente conventivo de transferencia de calor de 10 W/m2.°K en la superficie externa de la pared. Calcular el coeficiente global de transferencia de calor.

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20. Un cuarto de almacenamiento refrigerado se mantiene a –18°C. Las dimensiones internas del cuarto son 5 m x 5 m x 3 m de alto. Cada pared, techo y piso contiene una capa interna de 2.5 cm de espesor de madera con 7 cm de espesor de aislante y 11 cm de una capa de ladrillo en el exterior. Las conductividades térmicas de los respectivos materiales son: madera (0.104 W/m.°K), fibra de vidrio (0.04 W/m.°K) y ladrillo (0.69 W/m.°K). El coeficiente convectivo de transferencia de calor para la madera es 2.5 W/m2.°K, y para el ladrillo es 4 W/m2.°K. La temperatura del ambiente en el exterior, es 25°C. Determinar: a) El coeficiente global de trasferencia de calor. b) Las temperaturas de las superficies expuestas. c) Las temperaturas de interfase. 21. Vapor a 169.06 KPa se condensa en el interior de una tubería (diámetro interno = 7 cm, espesor = 3 mm). El coeficiente convectivo de transferencia de calor tanto interno como externo es 1000 y 10 W/m2.°K, respectivamente. La conductividad térmica de la tubería es 45 W/m.°K. Asumir que todas las resistencias térmicas se basan en el diámetro exterior de la tubería y determinar lo siguiente: a) Porcentaje de resistencia ofrecida por la tubería, por el vapor, y por el exterior. b) La temperatura en la superficie exterior de la tubería si la temperatura del aire circundante a la tubería es 25°C. 22. Se desea que un almacén tenga una temperatura promedio de 24 °C donde la temperatura ambiente exterior es 2°C. La pared tienen una dimensión de 2.44m x 3.05 m y 25.4 mm de espesor, K de la pared es 0.1506 W/m°K, pero esta pared tiene una ventana de vidrio de 0.577 m2 de superficie y 3.18 mm de espesor, K del vidrio es 0.693 W/m°K, tanto la pared como el vidrio tienen una emisividad de 0.9, si el coeficiente convectivo(h) dentro y fuera del almacén es 8.5 W/m2°K. Calcular la perdida total de calor (W).

Edwin A. Macavilca T.