PROBLEMAS RESUELTOS SOBRE CONVECCIÓNUNIDAD IV: CONVECCIÓN

Problemas.

1) Por una tubería de 150 m circulan 0.63 kg/s de vapor húmedo con calidad 10% a una temperatura de 250 °F. El diámetro interior de la tubería es 4”. A la salida de la tubería se tiene líquido saturado. Calcular la temperatura de la superficie interior del tubo.

Solución:1 lbm = 0.45359 kg1 pulg = 2.54 cm1 Joule = 9.478x10-4 BTU

De la tabla de vapor húmedo

2) Por una tubería de plástico (K = 0.5 W/mK) circula un fluido de modo que el coeficiente de transferencia de calor por convección es 300 W/m2K. La temperatura media del fluido es 100°C.  La tubería tiene un diámetro interno de 3 cm y un diámetro externo de 4 cm. Si la cantidad de calor  que se transfiere a través de la unidad de longitud de tubería por unidad de tiempo es 500 W/m, calcular la temperatura de la superficie exterior de la tubería. Hallar el coeficiente de transferencia térmica global U basado en el área de la superficie exterior de la misma.Solución:

PROBLEMAS PROPUESTOS DE CONDUCCIÓN CONVECCIÓN

A) PROBLEMAS SOBRE CONDUCCIÓN

a.1)    La pared del hogar sin protección de una caldera de vapor está fabricada de chamota alveolada con espesor 125 mm. Y de una capa de ladrillo rojo cuyo espesor es 500 mm. Las capas están bien ajustadas entre sí. La temperatura en la superficie interior del hogar es 1100 ºC y en la superficie exterior 50 ºC. El coeficiente de conductividad térmica  de la chamota alveolada es k1=0.28+0.00023T y el ladrillo rojo k2=0.7 W/mºC.

Calcular las pérdidas de calor a través de 1m2 de la pared del hogar y la temperatura en la superficie de contacto de las capas.

a.2)    Un depósito está formado por una sección central cilíndrica con dos semiesferas en sus extremos. El depósito contiene un fluido caliente que mantiene la superficie interior del depósito a una temperatura de 350 º C. El depósito está fabricado con acero inoxidable, k=14.4 W/m.K, con un espesor de 2.5 cm. El diámetro exterior de la sección cilíndrica es 2 m. y su longitud es de 2 m. El aire que rodea el depósito tiene una temperatura ambiente de 25 ºC. El coeficiente de transferencia de calor por convección entre el aire y el depósito es 7 W/m2. K. Determinar la cantidad de calor que deberá adicionarse al fluido que hay dentro del depósito para mantener su temperatura. Suponer que a través del depósito solo existe conducción radial  

a.3)    Una esfera hueca está fabricada de aluminio, (k=202 W/m ºC) con un diámetro interior de 4 cm. Y un diámetro exterior de 8 cm. La temperatura interior es de 100 ºC. La esfera está recubierta por una capa de 1 cm de un material aislante con k=50W/mºC y el exterior del aislante está expuesto a un entorno con h=20 W/m2ºC y T =10 ºC. Calcule la transferencia de calor estas condiciones.

a.4)    Una varilla cilíndrica larga de 4 cm de diámetro tiene una temperatura superficial de 200 ºC. La varilla está recubierta con dos tipos diferentes de aislante como se indica en la figura. El plano que separa los dos materiales está perfectamente aislado. El espesor de ambos aislantes es de 5 cm. kA=5 W/m K y kB=10 W/m K. La superficie exterior de los sistemas está rodeada por aire a 20 ºC para el cual h=15 W/m2 K. Considere únicamente conducción radial estacionaria.Dibujar el circuito térmico e identificar todas las resistencias.Determinar la transferencia de calor total por unidad de tiempo desde la varilla y por unidad de longitud de la misma.Determinar la temperatura de la superficie exterior de ambos aislantes.

B) PROBLEMAS SOBRE CONVECCIÓN

b.1)    Un tubo horizontal desnudo con un diámetro exterior de 6 pulgadas tiene su superficie exterior a 140 ºF en un cuarto en el que la temperatura del aire es 65 ºF. Determine el coeficiente de transferencia de calor por convección en el lado externo del tubo y la transferencia de calor por cada metro de tubo.

b.2)    Una pared de dimensiones 2.75x2.75 m tiene una temperatura externa de 32.6 ºC. La temperatura interna es de 100 ºC . El aire atmosférico se encuentra a 27 ºC. Calcule la conductividad térmica de la pared en BTU/h pie ºF , si el espesor de la pared es de 10 cm.

b.3)    Agua a una temperatura media de 38 ºC y viscosidad absoluta de 6.10-4  Pa.s,fluye  a través de un tubo de 2.5 cm de diámetro interior con una velocidad másica de 0.5 kg/s. Si se impone un flujo de calor constante mediante un elemento de calefacción eléctrica y la temperatura media de la pared es 50 ºC, determinar el coeficiente de transferencia de calor en el interior del tubo.

b.4)    La placa del techo de una caseta de 3.05x3.05 metros, alcanza una temperatura exterior de 38.1 ºC, cerca del mediodía, en un día cuando la temperatura promedio se puede tomar como 27 ºC. Calcule el calor transferido entre la placa y el aire.

C) PROBLEMAS SOBRE RADIACIÓN

c.1)    Calcule el intercambiador de calor por radiación entre dos placas cuadradas que tiene lados de 1 pie si están separadas por  ½  pie. Suponga que una placa tiene una emisividad de 0.8 mientras que la otra la tiene de 0.6. La superficie más caliente se encuentra a 1000 ºF y la más fría a 100 ºF.

c.2)    Una placa de 1 m2 y emisividad 0.95, irradia 116.7 W de calor a una hilera de tubos de 30 mm de diámetro y con emisividad 0.8. La temperatura de la placa es 60 ºC y la de los tubos es 30 ºC. Determine la distancia entre los tubos.

c.3)    Se tienen 2 esferas concéntricas del mismo material con emisividad 0.9 de diámetro 0.5 y 0.6 m. La esfera interior irradia a una temperatura de 427 ºC a la esfera exterior que se encuentra a 60 ºC. Calcular la radiación total recibida por la esfera exterior.

c.4)    Determine la temperatura en ºC de una hilera de tubos, si estos reciben una radiación de 85 W de un plano que se encuentra a 70 ºC y cuyas dimensiones son 1x2 m. La emisividad de los tubos es 0.95 y la del plano 0.9. El diámetro de los tubos es 2/3” y  la separación entre ellos es 2”.

D) PROBLEMAS SOBRE INTERCAMBIADORES DE CALOR

d.1)    El vapor proveniente de una turbina con calidad 100%, se condensa en la superficie exterior de los tubos de un intercambiador tubular de calor tipo vapor-agua, calor específico de 4.185 kJ/kg K. La diferencia de temperatura media logarítmica es de 78.9 ºC. Determinar:La presión de salida de la turbina. El gasto de vapor en el intercambiador vapor-agua si el gasto de agua es 8 Ton/hr.Suponer que no existe subenfriamiento del condensado.

d.2)    Determinar la superficie de transferencia de calor de un economizador de agua, en el que los agentes de transmisión de calor se mueven por un circuito de contracorriente, si se conocen las magnitudes siguientes: la temperatura de los gases en la entrada Tg1=420 ºC ; el gasto de gases 220 ton/h ; el calor específico de los gases Cpg=1.045 kJ /kgºC; la temperatura del agua a la entrada Ta1=105 ºC; el gasto de agua 120 ton/h; el calor específico del agua 4.19 kJ/kg ºC; la cantidad de calor transferido 13.5 MW ; el coeficiente total de transferencia de calor es 79 W/m2

ºC.

d.3)    Un intercambiador de calor de coraza y tubos se usa para enfriar 0.05 kg/s de agua sobre el lado de la coraza. El agua entra como líquido a 25 ºC y sale a 10 ºC . Los tubos tienen un diámetro exterior de ½ pulgada y un diámetro interior de 0.48 pulgadas. El coeficiente total de transferencia de calor es de 4000 W/m2ºC con base en el área exterior de los tubos. El refrigerante utilizado para enfriar el agua es amoníaco, el cual entra con calidad  del 20 % y sale como vapor saturado manteniendo una presión constante de 429.44 kPa . Si el largo de los tubos es de 32

cm , determine: a) el número de tubos necesarios para enfriar el agua .b) El flujo másico de refrigerante.

d.4)    Determinar el área de transferencia de calor que se necesita para que un intercambiador de calor construido con un tubo de 0.0254 m. de diámetro exterior enfríe 6.93 kg/s de una solución de alcohol etílico (Cp=3810 J/kg K) desde 65.5ºC hasta 39.4 ºC , utilizando 6.3 kg/s de agua a 10 ºC. Suponer que el coeficiente global de treansfetrencia de calor  basado en el área exterior del tubo es 568 W/m2K y considere:Flujo paraleloFlujo en contraflujoDiga en que caso el intercambiador resulta más económico.