EJERCICIOSTRANSFERENCIADECALOR

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NÚCLEO VALENCIA – EXTENSIÓN LA ISABELICA INGENIERÍA PETROQUÍMICA CÁTEDRA FENÓMENOS DE TRANSPORTE

EJERCICIOS PROPUESTOS TRANSFERENCIA DE CALOR 1. Un carpintero construye una pared, Hacia el exterior coloca una lámina de madera (k = 0,08 W/mK) de 2 cm de espesor y hacia el interior una capa de espuma aislante (k = 0,01 W/mK) de 3,5 cm de espesor. La temperatura de la superficie interior es de 19º C, y la exterior es –10ºC. Calcular: a) la temperatura en la unión entre la madera y la espuma, b) la razón de flujo de calor por m2 a través de esta pared. 2 2. Una ventana térmica de 6 m se construye con dos capas de vidrio, cada una de 4 mm de espesor, separadas por un espacio de aire de 5 mm. Si la parte interna está a 25º C y la externa a 0º C, calcular la pérdida de calor a través de la ventana. 3. A cierta familia le agrada tener la casa a 23° C durante el invierno, cuando afuera hay 0° C. ¿Qué temperatura interna deberían elegir si quisieran bajar sus gastos en combustibles en 10%? Explique claramente las hipótesis que hizo. 4. Una olla de aluminio tiene una sección transversal circular de 8 cm de radio y 3 mm de espesor. Se coloca sobre una placa caliente y se llena con 1 kg de agua. Si el fondo de la olla se mantiene a 101ºC y la parte interna a 100º C, calcular: a) la rapidez de transferencia de calor hacia el agua, Despreciar el calor perdido por los lados de la olla. 5. La pared de un horno está formada por dos capas: una de nueve pulgadas de espesor de tabique refractario (K = 0,8 BTU/h pie °F) y la otra de cinco pulgadas de tabique aislante (K=0,1 BTU/h pie °F). La temperatura en el interior del horno es de 3000 °F y el coeficiente convectivo 2 del lado de la pared interior es de 12 BTU/h pie °F, el coeficiente convectivo de la pared 2 exterior es de 20,8 BTU/h pie °F. Determinar: a) La velocidad de transferencia de calor perdido al ambiente por pie cuadrado de pared b) La temperatura de la superficie interior c) La temperatura de la superficie exterior 6. La ventana posterior de un automóvil se desempaña mediante el paso de aire caliente sobre su superficie interna. Si el aire caliente está a T∞, i = 40°C y el coeficiente de convección correspondiente es hi = 30 W/m2·K, ¿cuáles son las temperaturas de las superficies interna y externa de la ventana de vidrio de 4 mm de espesor, si la temperatura del aire ambiente del 2 exterior es T∞, 0 = -10°C y el coeficiente de convección asociado es ho = 65 W/m ·K? 7. Una placa de acero de 1 m de largo (k = 50 W/m·K) está bien aislada en sus lados, mientras que la superficie superior está a 100°C y la superficie inferior se enfría por convección mediante un fluido a 20°C. En condiciones de estado estable sin generación, un termopar en el punto medio de la placa revela una temperatura de 85°C. ¿Cuál es el valor del coeficiente de transferencia de calor por convección en la superficie inferior? 8. La pared de un edificio es un compuesto que consiste en una capa de 100 mm de ladrillo común, una capa de 100 mm de fibra de vidrio (forrada con papel, 28 3 kg/m ), una capa de 10 mm de revoque de yeso (vermiculita) y una capa de 6 mm de tabla de 2 pino. Si el coeficiente de convección interior es 10 W/m ·K y el coeficiente de convección exterior es 70 W/m2·K, ¿cuál es la resistencia total y el coeficiente global para la transferencia de calor? 9. La pared compuesta de un horno consiste en tres materiales, dos de los cuales son de conductividad térmica conocida, kA = 20 W/m·K y kC =50 W/m·K, y de espesor conocido, LA = 0,30 m y LC =0,15 m, El tercer material, B, que se intercala entre los materiales A y C, es de espesor conocido, LB = 0,15 m, pero de conductividad térmica, kB, desconocida 10. En condiciones de operación de estado estable, las mediciones revelan una temperatura de la superficie externa Ts,0 = 20°C, una temperatura de la superficie interna Ts,i = 600°C, y una Prof, Mariely Ortega

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NÚCLEO VALENCIA – EXTENSIÓN LA ISABELICA INGENIERÍA PETROQUÍMICA CÁTEDRA FENÓMENOS DE TRANSPORTE temperatura del aire del horno T∞ = 800°C. Se sabe que el coeficiente de convección interior h es 25 W/m2·K, ¿Cuál es el valor de kB? 11. Las paredes exteriores de un edificio son un compuesto que consiste en un tablero de yeso de 10 mm de espesor, espuma de uretano de 50 mm de espesor y 10 mm de madera blanda. En un típico día de invierno las temperaturas del aire exterior e interior son -15 y 20°C, respectivamente, con coeficientes de convección externo e interno de 15 y 5 W/m2·K, respectivamente. 2 (a) ¿Cuál es la carga de calentamiento para una sección de 1 m de pared? (b) ¿Cuál es la carga de calentamiento si la pared compuesta se reemplaza por una ventana de vidrio de 3 mm de espesor? (e) ¿Cuál es la carga de calentamiento si la pared compuesta se reemplaza con una ventana de doble vidrio que consiste en dos placas de vidrio de 3 mm de espesor separadas por un hueco de aire estancado de 5 mm de espesor? 12. Uretano (k = 0,026 W/m·K) se usa para aislar la pared lateral y las partes superior e inferior de un tanque cilíndrico de agua caliente. El aislante tiene 40 mm de espesor y se intercala entre láminas de metal de pared delgada. La altura y el diámetro interior del tanque son 2 m y 0,80 m, respectivamente, y el tanque está expuesto al aire del ambiente para el que T∞ = 10°C y h = 10 W/m2·K. Si el agua caliente mantiene la superficie interna a 55°C y el costo de la energía asciende a $0,15/kWh. ¿cuál es el costo diario para mantener el agua almacenada? 13. Una esfera hueca de aluminio, con un calentador eléctrico en el centro, se utiliza en pruebas para determinar la conductividad térmica de materiales aislantes. Los radios interior y exterior de la esfera son 0,15 y 0,18 m, respectivamente, y la prueba se hace en condiciones de estado estable, en las que la superficie interna del aluminio se mantiene a 250°C. En una prueba particular, una capa esférica de aislante se funde sobre la superficie externa de la esfera y alcanza un espesor de 0,12 m. El sistema está en un cuarto para el que la temperatura del aire es 20°C, y el coeficiente de convección en la superficie externa del aislante es 30 2 W/m ·K. Si se disipan 80 W por el calentador bajo condiciones de estado estable, ¿cuál es la conductividad térmica del aislante? 14. Una tubería de acero suave (1% C) de 6plg nominal, catalogo 80; debe conducir vapor de agua sobrecalentado a 225,3 psig y 600°F, si la tubería no está recubierta con aislante térmico, la temperatura de vapor disminuye hasta 508°F en un recorrido de 300 pie de tubería. Si los 2 2 coeficientes convectivos de transferencia de calor son de 118 BTU/h pie °F y 5 BTU/h pie °F para el vapor de agua y el aire ambiente respectivamente, el cual se encuentra a una temperatura de 90°F. Determinar: a) El promedio logarítmico de las diferencias de temperatura entre el vapor y el aire. b) El Coeficiente global de transferencia de calor referido al área externa c) El flujo de calor que se pierde al ambiente, en los 300 pies de tubería d) El espesor de aislante de conductividad térmica 0,043 BTU/h pie °F que debe colocarse a la tubería para disminuir el calor perdido en un 90%, Suponga en este caso que la temperatura del vapor de agua no disminuye en forma apreciable a lo largo de la tubería y que los coeficientes convectivos se mantienen invariantes. 15. Se desea calentar 9800 lb/h de benceno desde 80°F hasta 120°F, utilizando para ello una corriente de tolueno que se enfría desde 160°F hasta 120°, Los fluidos circulan a través de dos tubos de acero comercial de 2 plg y 1 ¼ plg de diámetro nominal catalogo 40. Determinar: a) Coeficiente global de transferencia de calor referido al área externa b) Promedio Logarítmico de las diferencias de temperatura c) Calor Transferido d) Longitud necesaria de tubería para realizar la transferencia de calor. Fluido Benceno Tolueno

Calor Especifico, Cp (BTU/Lb °F) 0,425 0,440

Coeficiente Convectivo, h BTU/h pie2 °F 333 323

Prof, Mariely Ortega