• Author / Uploaded
• oscar santamaria

Citation preview

Taller de transferencia de calor por Conducción Fenómenos de Transporte I Este taller No es para entregar 1) Describa los pasos usados en la derivación de la ecuación de energía. 2) Describa el significado físico de cada uno de los términos que contiene la ecuación de energía en términos del flux de calor. 3) La tubería de una fábrica transporta vapor sobrecalentado a una razón de flujo de masa de 0.3 kg/s. La tubería mide 10 m de longitud, 5 cm de diámetro y sus paredes tienen un espesor de 6 mm. Tiene una conductividad térmica de 17 W/m K y su superficie interna se encuentra a una temperatura uniforme de 120ºC. La caída de la temperatura entre la entrada y salida de la tubería es de 7ºC y el calor específico del vapor a presión constante es 2.190 J/kg ºC. Si la temperatura del área en la fábrica es de 25ºC, determine el coeficiente de transferencia de calor por convección entre la superficie externa de la tubería y el aire circundante.

4) Considere una placa grande de latón de 5 cm de espesor (k =111 W/m °C) en la cual se genera uniformemente calor a razón de 2 X105 W/m3. Uno de los lados de la placa está aislado, en tanto que el otro está expuesto a un medio a 25°C, con un coeficiente de transferencia de calor de 44 W/m 2 ·°C. Explique en qué sitios de la placa se localizarán las temperaturas más alta y más baja, y determine sus valores.

5) Considere una barra rectangular larga de longitud a en la dirección x y ancho b en la dirección y que está inicialmente a una temperatura uniforme de Ti. Las superficies de la barra en x=0 y y=0 están aisladas, en tanto que el calor se pierde por convección desde las otras dos superficies hacia el medio

circundante que se encuentra a la temperatura T, con un coeficiente de transferencia de calor de h. Si se supone conductividad térmica constante y transferencia bidimensional de calor en régimen transitorio, sin generación de calor, exprese la formulación matemática (la ecuación diferencial y las condiciones de frontera e iniciales) de este problema de conducción de calor. No resuelva.

6)

En un tubo de hierro fundido (k=80 W/m °C), cuyos diámetros interior y exterior son D1 =5 cm y D2 =5.5 cm, respectivamente, fluye vapor de agua a T 1 = 320°C. El tubo está cubierto con un aislamiento de fibra de vidrio de 3 cm de espesor, con k = 0.05 W/m °C. Se pierde calor hacia los alrededores que están a T2 =5°C por convección natural y radiación, con un coeficiente combinado de transferencia de calor de h 2 =18 W/m2 · °C. Si el coeficiente de transferencia de calor dentro del tubo es h 1 =60 W/m2 °C, determine la razón de la pérdida de calor del vapor por unidad de longitud del tubo. Asimismo, determine la caída de temperatura a través de la pared de éste y a través de la capa de aislamiento.

7)

Un alambre eléctrico de 3 mm de diámetro y 5 m de largo está firmemente envuelto con una cubierta gruesa de plástico de 2 mm cuya conductividad térmica es k 0.15 W/m °C. Las mediciones eléctricas indican que por el alambre pasa una corriente de 10 A y se tiene una caída de voltaje de 8 V a lo largo de éste. Si el alambre aislado se expone a un medio que está a T 30°C, con un coeficiente de transferencia de calor de h 12 W/m2 °C, determine la temperatura en la interfase del alambre y la cubierta de plástico en operación estacionaria. Asimismo, determine si la duplicación del espesor de la cubierta de plástico aumentará o disminuirá esta temperatura en la interfase. A flat plate of thickness L separates two media having temperaturas Ti and To. The heat transfer coefficients are hi and ho FIG 3-5.

8)

We wish to eliminate the heat loss from the ambient of higher temperature. We learned that total resistence between two ambients can be increased by adding insulation to one or both surfaces of the plate. Regardless of the thickness and material of the insulation, however, the heat loss from the ambient of higher temperature cannot be completely eliminated by such insulation. On the other hand, a proper amount of uniform internal energy u´´´ generated electrically in the plate may reduce the heat loss to zero (fig 3-6). Found the appropriate value of u´´´.

9) Una pared de 4 m de alto y 6 m de ancho consiste en ladrillos con una sección transversal horizontal de 15 cm 25 cm (k =0.72 W/m °C) separados por capas de mezcla (k= 0.22 W/m °C) de 3 cm de

espesor. También se tienen capas de mezcla de 2 cm de espesor sobre cada lado de la pared y una espuma rígida (k = 0.026 W/m °C) de 2 cm de espesor sobre el lado interior de la misma. Las temperaturas en el interior y el exterior son de 22°C y –4°C y los coeficientes de transferencia de calor por convección sobre los lados interior y exterior son h 1 =10 W/m2 °C y h2 =20 W/m2°C, respectivamente. Si se supone una transferencia unidimensional de calor y se descarta la radiación, determine la razón de la transferencia de calor a través de la pared.

10) ANALISIS DE SISTEMAS CONCENTRADOS. En un proceso de templado, barras de acero (r = 7 832 kg/m3, cp = 434 J/kgK y k = 63.9 W/m K) se calientan en un horno a 850ºC y después se enfrían en una tina de agua a una temperatura promedio de 95ºC (figura 4-11). La tina de agua tiene una temperatura uniforme de 40ºC y un coeficiente de transferencia de calor por convección de 450 W/m2 K. Si las barras de acero tienen un diámetro de 50 mm y una longitud de 2 m, determine: a) el tiempo necesario para enfriar una barra de acero de 850ºC a 95ºC en la tina de agua y b) la cantidad total de calor que una sola barra transfiere al agua durante el proceso de templado.

11) ANALISIS DE SISTEMAS CONCENTRADOS. Considere una esfera con un diámetro de 5 cm, un cubo

con una longitud de arista de 5 cm y un prisma rectangular con dimensiones de 4 cm 5 cm 6 cm, todos inicialmente a 0°C y hechos de plata (k=429 W/m °C, densidad= 10 500 kg/m3 y cp= 0.235 kJ/kg °C). A continuación, estas tres configuraciones se exponen al aire ambiente a 33°C sobre todas sus superficies, con un coeficiente de transferencia de calor de 12 W/m2 °C. Determine cuánto tardará la temperatura de cada configuración geométrica en elevarse hasta 25°C.