UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA DE PETROLEOTRANSFERENCIA DE CALOR - PQ414

1ra Práctica Dirigida

1. Una masa desconocida de hierro a 90ºC se coloca dentro de un tanque aislado que contiene 80 L deagua a 20ºC. Al mismo tiempo, se activa un agitador de paleta cuyo motor es de 200 W. El equilibriotérmico se establece después de 25 min, con una temperatura final de 27ºC. Determine la masa delacero.

2. Un recipiente esférico de acero con diámetro externo de 20 cm y espesor de 0,4 cm se llena con hieloa 0ºC. Si la temperatura de la superficie externa es 5ºC, determine aproximadamente el flujo de calordesde la esfera en kW y la rapidez a la que el hielo se funde.

3. Considere una persona de pie en una habitación a 23ºC. Determine el flujo total de calor desde estapersona si su área expuesta es 1,7 m2, su temperatura superficial es 32ºC y el coeficiente de convecciónes 5 W/m2ºC. Considere la emisividad de la piel igual a 0,9 y asuma que la temperatura de las paredeses igual a la temperatura del aire.

4. Una tubería de acero cuyo diámetro interno es de 4 pulgadas y una pared con espesor de 0,25 pulgadasse cubre con 4 pulgadas de aislante para alta temperatura y 2 pulgadas de aislante para bajatemperatura. La temperatura en la superficie interior de la tubería es de 450 oF, y la temperatura en lasuperficie exterior del aislante para baja temperatura es de 75 oC.

material k (btu/h pie oF)

acero 30

aislante para alta temperatura 0,07

aislante para baja temperatura 0,05

Determine

a. La razón de flujo de calorb. Las temperaturas en la interfase del acero y el aislante para alta temperatura, y en la interfase de

los aislantes para alta y baja temperatura.

5. Un tanque esférico de 3 m de diámetro, se ha llenado con nitrógeno liquido a 1 atm y -196°C(temperatura de ebullición). El tanque está expuesto a aire a 15°C con un coeficiente h = 35 W/m2°C.Debido a que el espesor del tanque es muy pequeño, puede considerarse que la temperatura externade la pared del tanque es igual a la temperatura del nitrógeno. Determine la razón de evaporación delnitrógeno en el tanque como resultado de la transferencia de calor hacia el aire si el tanque:

a. No se encuentra aislado.b. Se encuentra aislado con 5 cm de aislante de fibra de vidrio (k = 0,035 W/m°C).c. Se encuentra aislado con 2 cm de superaislante (k = 0,00005 W/m°C).

Para el nitrógeno: hfg = 198 kJ/kg; ρ = 810 kg/m3

6. Un fluido caliente a una temperatura media de 600°F fluye dentro de una tubería de acero (k = 20 btu/hpie°F) de 4" y 4 ½" de diámetro interno y externo respectivamente, que se encuentra cubierta con unmaterial aislante (k = 0,4 btu/h pie°F) de 1" de espesor. El medio en el que se encuentra la tubería estáa una temperatura de 80°F. El coeficiente de transferencia de calor del fluido interior es hi = 50 btu/hpie2°F y el del fluido exterior es ho = 1,5 btu/h pie2°F.a. Determine el flujo de pérdida de calor hacia el aire por pie de longitud del tubo.

b. Indique que ocurre con la tasa de pérdida de calor si aumenta el espesor del aislante 0,05 y 0,1pulgadas.

c. Existe la posibilidad de utilizar otro material aislante con k = 0,5 btu/h pie°F. Explique claramentelos motivos por los cuáles seleccionaría uno de los dos materiales.

7. Considere una tubería de aire comprimido de 6 m de longitud, radio interno de 3,7 cm, radio externo de4,0 cm y conductividad eléctrica de 14 W/m°C, equipada con un calentador de 255 W/m2 en la parteexterna, que evita que la humedad en el aire se congele y bloquee la línea. El aire circula a través de latubería a la temperatura promedio de 10°C y con un coeficiente de convección promedio de 30 W/m2°C.

a. Exprese la ecuación diferencial y las condiciones de frontera para la conducción unidimensional através de la tubería.

b. Resuelva la ecuación diferencial y obtenga la relación para la variación de la temperatura en lapared de la tubería.

c. Calcule la temperatura de las paredes interna y externa de la tubería.

8. Un cilindro hueco muy largo, se construye de un material cuya conductividad térmica se describe pork = 0,02 (1 + 0,005 T), donde T está en grados Farenheit y k en btu/hr pieoF. Los radios interior y exteriordel cilindro son 3 y 5" respectivamente. Bajo condiciones de estado estable, la temperatura de lasuperficie interior del cilindro es de 600oF y la temperatura de la superficie exterior de 100oF:

a. Calcular la rapidez de transferencia de calor por pie de longitud.b. Si el coeficiente de transferencia de calor por unidad de superficie de la superficie exterior del

cilindro es de 2,5 btu/hr pie2 oF, calcular la temperatura del aire en el lado exterior del cilindro.

9. Las dos caras de una placa en x = 0 y x = L se mantienen respectivamente a las temperaturas uniformesde T1 y T2; la conductividad térmica varía con la temperatura en la forma k = ko (T

2 - T02) en donde k0 y

T0 son constantes.

a. Encontrar una expresión de la tasa de calor por unidad de área de la placa.b. Encontrar una expresión de la conductividad media.c. Los extremos de una placa de 2 pulgadas se encuentran a 260 y 300°F. Calcule la temperatura en

el centro de la placa para k0 = 0,04 btu/h-pie°F y T0 = 250°F.

10. En una barra cilíndrica de combustible de un reactor nuclear, el calor se genera internamente de acuerdo

con la ecuación , donde g es la rapidez local de generación de calor por unidad 21 /o og g r r

de volumen en r, ro es el radio exterior y g es la r rapidez local de generación de calor por unidad devolumen en ro. Calcular la caída de temperatura de la línea central a la superficie, para una barra de 1"de diámetro exterior, que tiene una conductividad térmica de 15 BTU/hr pie°F, si la rapidez con que seretira el calor de su superficie es 500000 BTU/hr pie2.

11. Considere un cable (k = 18 W/m°C) largo de radio r1 = 0,3 cm en el cual se genera calor uniformementea una razón g = 1,5 W/cm3. El cable está envuelto en una capa de plástico de 0,4 cm (con k = 1,8W/m°C). La superficie exterior de la cubierta de plástico pierde calor por convección hacia el aire aT4 = 25°C (h = 14 W/m2).

a. Exprese las ecuaciones diferenciales y las condiciones de frontera para este problema.b. Calcule la temperatura en el centro del cable.c. Calcule la temperatura en la interfase entre el cable y la cubierta plástica.

03/09/2012CRuiz