Red de Resistencias I-2020

OPERACIONES UNITARIAS II

PRQ - 502

RED DE RESISTENCIAS 1.- El muro de una cámara frigorífica de conservación de productos congelados, se constituirá del modo siguiente:      

Revoco de cemento de 2 cm de espesor (k = 0.8 kcal/h·m°C) 25 cm de ladrillo macizo (k = 0.6 kcal/h·m°C) Pantalla antivapor de 1.2 cm de espesor (k = 0.4 kcal/h·m°C) Corcho expandido (k = 0.05 kcal/h·m°C) 7 cm de ladrillo hueco (k = 1.1 kcal/h·m°C) Revoco de cemento de 2 cm de espesor (k = 0.8 kcal/h·m°C)

Siendo la temperatura interior -25°C y la del exterior 30°C. Si las pérdidas horarias por unidad de área del muro, se evalúan por motivos económicos en 10 kcal/h·m², determinar: a) El coeficiente global de transmisión de calor del muro b) El espesor de corcho que debe colocarse c) La distribución de temperaturas en el muro Se tomarán como coeficientes de transmisión de calor por convección exterior e interior 20 y 12 kcal/h·m²°C, respectivamente. Resp: a) U=0.182 Kcal/h*m2*°C b) e=24.03 cm

2.- Considere una pared de 5 m de alto, 8 m de largo y 0.22 m de espesor cuya sección transversal representativa se da en la figura. Las conductividades térmicas de los diversos materiales usados, en W/m · °C, son kA=kF=2, kB=8, Kc=20, kD=15 y kE=35. Las superficies izquierda y derecha de la pared se mantienen a las temperaturas uniformes de 300°C y 100°C, respectivamente. Si la transferencia de calor a través de la pared es unidimensional, determine: a) la razón de la transferencia de calor a través de ella. b) la temperatura en el punto en el que se encuentran las secciones B, D y E. c) la caída de temperatura a través de la sección F. Descarte cualesquiera resistencias por contacto entre las interfases.

Aux. Huascar Alarcón Coss

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3.- En el sitio de almacenamiento de un transbordador espacial, se tiene tubos de cobre de 2.5 cm de diámetro exterior y 2 cm de diámetro interior que son portadores de oxígeno líquido a -183 ºC y 0.04 m3/min. El aire ambiente está a 21 ºC y tiene un punto de roció de 10 ºC ¿Cuánto aislamiento con una conductividad térmica de 0,02 W/m*K se necesitará para evitar la condensación en el exterior del aislamiento si ℎ𝑐 + 𝑊

ℎ𝑟 = 17 𝑚2 ∗𝐾 en el exterior?

4.- Considere una pared gruesa de 3 m de alto, 5 m de ancho y 0.30 m de espesor, cuya conductividad térmica es kpared=0.9 W/m*°C. Cierto día se miden las temperaturas de las superficies interior y exterior de esa pared y resultan ser de 16 °C y 2°C, respectivamente. Determine a) La velocidad de pérdida de calor a través de la pared en ese día. b) La velocidad de pérdida de calor a través de a pared en ese día si la pared interna tuviera un aislamiento de madera de 0.02 m de espesor, con iguales temperaturas de las caras expuestas (kmadera=0.08 W/m*°C) c) La temperatura entre ambos materiales. Resp: a) Qa=630 W, b) Qb=360 W, c) Ti=6 °C 5.- Una sonda esférica crioquirúrgica se incrusta en tejido enfermo con el propósito de congelarlo y destruirlo. La sonda tiene un diámetro de 3 mm y su superficie se mantiene a -30 ºC cuando se incrusta en tejido que está a 37 ºC. Se forma una capa esférica de tejido congelado alrededor de la sonda con una temperatura de 0 ºC en su superficie de contacto con el tejido normal. Si la conductividad térmica del tejido congelado es 1.5 W/m*ºC y el coeficiente de transferencia de calor por convección entre el tejido congelado y el normal es 50 W/m2*ºC, ¿Cuál es el espesor de la capa del tejido congelado? Resp: e=5.34 mm

6.- El vapor que fluye a través de un tubo largo de pared delgada mantiene la pared del tubo a una temperatura uniforme de 500 K. El tubo está cubierto con una manta aislante compuesta con dos materiales diferentes, A y B. Se supone que toda la superficie externa está expuesta al aire, para el cual Too= 300 K y h = 25 W/m2*K. ¿Para las condiciones que se establecen, cual es la pérdida total de calor del tubo? ¿Cuáles son las temperaturas de la superficie externa Ts2{A) y Ts2(B)?

Aux. Huascar Alarcón Coss

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7.- Se usa un tanque esférico con un diámetro interior de 8 m, hecho de lámina de acero inoxidable (k=15 W/m*ºC) de 1,5 cm de espesor, para almacenar agua con hielo a 0 ºC. El tanque está ubicado en un cuarto cuya temperatura es de 25 ºC. Las paredes del cuarto también están a 25 ºC. La superficie exterior del tanque es negra (emisividad ε=1) y la transferencia de calor entre la superficie exterior del tanque y los alrededores es por convección natural y radiación. Los coeficientes de transferencia de calor por convección en las superficies interior y exterior del tanque son de 80 W/m2*ºC y 10 W/m2*ºC, respectivamente. Determine: a) La razón de transferencia de calor hacia el agua con hielo que está en el tanque. b) La cantidad de hielo a 0 ºC que se funde durante un período de 24 h. El calor de fusión del agua a la presión atmosférica es λ=333,7 KJ/Kg. Resp: a) Q=64.581 KW b) mhielo=16721 Kg 8.- Una placa de acero (k=43 w/m*K) de 1.25 cm de espesor está expuesta por un lado a vapor a 650 ºC con un coeficiente de transmisión calorífica de 570 W/m2*K. Se desea aislar la superficie exterior de la placa, de modo que la superficie exterior expuesta del aislamiento no exceda de 38 ºC. Para reducir el coste, se aplica a la superficie de acero un costoso aislamiento resistente a las altas temperaturas (k=0.04 W/m*K), y después se pone en el exterior un aislamiento más económico (k=0.09 W/m*K). La temperatura máxima admisible para el aislamiento más económico es de 315 ºC. El coeficiente de transmisión en la superficie más exterior es de 11.3 W/m2*K y el aire ambiente está a 30 ºC. Determinar los espesores comerciales más económicos de ambos aislantes, sabiendo que la gama varía de 5 cm en 5 cm de espesor, con valores máximos de 30 cm. 9.- Una tubería de acero estándar de 10 cm (Di=10.066 cm, De=11.25 cm), lleva vapor sobrecalentado a 650 ºC en un espacio cerrado donde hay riesgo de incendio, lo que limita la superficie externa a una temperatura de 38 ºC. Con el fin de minimizar el costo de aislamiento, dos materiales deben ser utilizados: primero un aislante de alta temperatura (relativamente caro) aplicada a la tubería y a continuación de, magnesia (un material menos costoso) en el exterior. La temperatura máxima de la magnesia debe ser de 315 ºC. Se conocen las siguientes constantes: Coeficiente de transferencia de calor interior del vapor y el tubo h=500 (W/m2ºC) Conductividad del aislante de alta temperatura k=0.1 (W/mºC) Conductividad de la magnesia k=0.078 (W/mºC) Coeficiente exterior de transferencia de calor h=11 (W/m2ºC) Aux. Huascar Alarcón Coss

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Conductividad del acero k=43 (W/mºC) Temperatura del ambiente Ta=21 ºC a) Especificar el grosor del aislante de cada material. b) Calcular el coeficiente global de transferencia de calor basado en el diámetro exterior del tubo. c) ¿Qué fracción de la resistencia total es debido a: (1) la resistencia del lado del vapor, (2) resistencia de la tubería de acero (3) aislamiento (combinación de los dos), y (4) resistencia exterior? d) ¿Cuánto calor se transfiere por hora por pie de longitud de tubería? Resp: b) U=0,417W/ºC

d) Q=273.32 BTU/h*ft

10.- Una tubería de acero al carbón de pared delgada (r1=10 cm y r2=12 cm) transporta vapor a una temperatura promedio de 150 °C (h=1200 w/m2*K), el ambiente externo está a 0 °C (h=65 W/m2*K). Se quiere aislar la tubería para lo cual se dispone de un material aislante A (poliuretano) con una conductividad de 0.036 W/m*K; el aislante consiste en rollos de material flexible que puede conseguirse en varios espesores: 1; 2; 3 y 7.5 cm a) Seleccione el espesor del aislante y explique qué criterio o criterios uso para su elección. Calcule en que porcentaje se reduce el flujo de calor por la colocación del aislante. La resistencia de contacto entre la superficie del tubo y el aislante es de 7.5*10-3 K*m2/W. b) Si el costo volumétrico del aislante es 60000 Bs/m3 y su jefe le dice que dispone en el presupuesto de 4000 Bs por metro de longitud de tubería, ¿mantiene la elección hecha en el inciso a? En caso contrario sugiera otro espesor.

Aux. Huascar Alarcón Coss