FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA INGENIERA QUMICA Y EN ALIMENTOS

Transferencia de calor por conveccin

COLOQUIO N4

Conveccin forzada interna y externa: Flujo turbulento

TEMA 8 Transferencia de calor por conveccin III Flujo turbulento externo e interno. Distribucin de velocidades para tubos lisos.

Analogas entre la transferencia de calor y la cantidad de movimiento. Analogas de Reynolds, de Prandtl y de Von Karman. Frmulas empricas para la transferencia de calor para las geometras ms comunes: Flujo interno y flujo externo.

Interno

1. Se tiene agua a 50F en un tubo de 1 1/2" de dimetro, 16BWG y 8ft de largo con una velocidad de 35ft/s. Hay vapor a 240F condensndose en la pared exterior del tubo. Calcular el valor medio del coeficiente de transferencia de calor en le interfase tubo-agua, utilizando : a) Analoga de Reynolds b) Analoga de Pradtl c) Analoga de Colburn Cul analoga cree que es ms exacta? Ms inexacta? Porque? Comparar los resultados contenidos usando la analoga de Reynolds y la de Colburn con respecto a la trasferencia de calor total y la temperatura del agua que sale. Resolver el mismo problema para el caso del aire 80F que entra en el tubo.

2. Vapor a una atmsfera y 212F est fluyendo a travs de un tubo de 2" de dimetro interior a una velocidad de 20ft/s. Estimar el nmero de Nu, el coeficiente de transferencia de calor por pie de longitud de tubo, si el tubo est a 400F.

3. El aire atmosfrico a una velocidad de 200ft/s y una temperatura de 60F entra a un conducto metlico cuadrado, de 2ft de longitud y seccin transversal de 8 x 8". Si la pared del conducto est a 300F, determinar la conductancia promedio por unidad de superficie. Hacer un breve comentario del efecto de L/DH

4. Un tubo circular de 25mm de dimetro, cuya superficie exterior se mantiene a 100C, se usa para calentar agua que fluye a 1Kg/s desde 30 a 70C. Qu tan largo debe ser el tubo?

5. Un caera (AISI 316) de acero inoxidable, de paredes gruesas, de dimetro interior y exterior: Di=20mm y Do=40mm est calentado elctricamente como para proveer una velocidad de generacin de calor uniforme de q=106W/M3. La superficie exterior de la caera est aislada, mientras el agua fluye en la caera a razn de 0,1kg/s. a) Si la temperatura de entrada del agua es Tm,i=20C y la temperatura de salida deseada

es Tm,o=40C, cul es la longitud de caera requerida? b) Cul es la localizacin y el valor de la temperatura de la caera mxima?

6. Aire atmosfrico entra a un ducto de calentamiento sin aislacin de 150mm de dimetro y 10m de longitud, a 60C y 0,04Kg/s. Si la temperatura superficial del ducto es aproximadamente constante a Ts=15C, cul es la temperatura del aire exterior y cul es la prdida de calor del ducto?

7. Considere un tubo circular horizontal de paredes delgadas de dimetro D=0,025m sumergido en un contenedor de n-octano (parafina), que se usa para almacenar energa

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trmica. Cuando agua caliente fluye a travs del tubo. El calor se transfiere a la parafina, convirtindola de estado slido a estado lquido a un temperatura de cambio de fase de T=27,4C. El calor latente de fusin y la densidad de la parafina son hsf=244kJ/kg y =770 Kg/m3, respectivamente, y las propiedades termofsicas del agua pueden ser tomadas como: cp=4,185KJ/KgK, k=0,653 W/mK, y =467.10-6 Kg/s m. Suponga que la temperatura del tubo tiene una temperatura uniforme correspondiente a la del cambio de fase, y determine la temperatura de salida y la velocidad de transferencia de calor total para el agua que fluye a 0,1Kg/s y una temperatura de entrada de 60C. Si H=W=0,25 m, que tan largo debe ser el tubo (que transporta agua) para licuar completamente la parafina, desde el estado inicial en el cual la parafina es slida y a 27,4C.

8. Por una tubera de 1" de dimetro interior fluye glicerina a razn de 500k/h. La glicerina cuya temperatura a la entrada es de 15C, atraviesa una seccin caliente de 33m de longitud siendo las temperaturas de las paredes del tubo de 115C. Determinar: a) Cul ser la temperatura de la glicerina a la salida de la seccin caliente?. Cul el hc? b) Qu longitud se necesitara de seccin caliente para que la glicerina alcance el 90% de

la temperatura de la pared?

Externo

9. A que distancia del borde de ataque de una superficie plana ocurrir la transicin de flujo laminar a turbulento si el fluido es: a) Aire a 60oF y presin atmosfrica. b) Agua a 80oF. c) Glicerina a 60oF. d) Mercurio a 80oF. La velocidad de la corriente libre es de 50ft/s y To=120oF.

10. Un alambre de 0,005 se expone a una corriente de aire a -20oF. La velocidad del flujo es de 750ft/s. El alambre se calienta elctricamente y tiene una longitud de 1 . Calclese la potencia elctrica necesaria para mantener la temperatura de la superficie del alambre a 350oF. Exprese la respuesta en Watts.

11. Determinar la rapidez de prdida de calor en BTU/h desde la pared de un edificio expuesto a un viento de 10 millas/h que sopla paralelo a su superficie. La temperatura de la pared es de 80oF y sus dimensiones son 80ft de longitud por 20ft de altura. La temperatura media del aire ambiente es de 40oF.

12. Sobre un tubo de 1" de DE que se mantiene a una temperatura uniforme de 200F fluye aceite a 70F con una velocidad de 5ft/s. Determinar el coeficiente promedio de transferencia de calor y la tasa de transferencia de calor entre el fluido y el tubo por pie lineal de tubo. ( =10 ft2/h, k= 0,0895 Btu/ft h F, Pr=55).

13. Sobre una esfera de 1" de dimetro fluye agua a una temperatura de 80F con una velocidad de 20ft/s. Determinar: a) El coeficiente de arrastre b) La fuerza de arrastre que acta sobre la esfera c) El coeficiente promedio de transferencia de calor d) La tasa de transferencia de calor entre el fluido y la esfera si la superficie de esta se

mantiene a 120F.

14. Sobre un banco formado por tubos de 3/8" de DE y distribuidos en 10 filas en la direccin del flujo, fluye aire a 60F y 1atm de presin. La velocidad del aire antes de entrar al banco

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de tubos es de 5ft/s. Determinar en los siguientes casos el factor promedio de friccin y el coeficiente promedio de transferencia de calor: a) Los tubos estn distribuidos en forma de tringulo equiltero como se muestra en el

modelo 1 de la fig. 9-14. b) Los tubos estn distribuidos como un cuadrado como se muestra en el modelo 2 de la

fig 9-14.

15. Sobre un banco formado por tubos de 1" de DE distribuidos en forma cruzada y en 40 filas en la direccin del flujo, fluye aire a 200F y 100lbf /in2 abs. La Gmx del flujo es de 4lb/ft2 s. Determinar el coeficiente promedio de transferencia de calor y la cada de presin. (Sl/D=1,5; St/D=2).

16. Un precalentador usa vapor de condensacin a 100C en el interior de un banco de tubos para calentar el aire que entra a 1atm y 25C. El aire se mueve a 5m/s en flujo cruzado sobre los tubos que tienen 1m de longitud y DE=10mm. El banco consiste en 196 tubos en un arreglo cuadrado en el que ST=SL=15mm. a) Cul es la transferencia total de calor al aire? b) Cul es la cada de presin asociada con el flujo de aire?

17. Un banco de tubos usa un arreglo alineado de ST=SL=20mm con tubos de DE=10mm. Hay 10 lneas de tubos con 50 tubos cada lnea. Fluye agua fra por los tubos, lo que mantiene la temperatura de la superficie externa a 27C, mientras que los gases de combustin a 427C y 5m/s estn en flujo cruzado sobre los tubos. Las propiedades de los gases de combustin se aproximan a los del aire atmosfrico a 427C. Cul es la transferencia total de calor por unidad de longitud de los tubos en el banco?

18. Un banco de tubos, de DE=30mm y L=1m, utiliza un arreglo alineado con ST=SL=60mm, NL=10 y NT=7. Hay aire a T=27C y V=15m/s en flujo cruzado sobre los tubos, mientras la temperatura de la pared de los tubos de 100C se mantiene mediante condensacin de vapor dentro de los mismos. Determine la temperatura del aire que sale del banco de tubos, la cada de presin a travs del banco y el requerimiento de potencia del ventilador.