EJ EMPLO 1-8 1-8 Medición del coeficiente de transferencia
de calor por convección
Un alambre eléctrico de 2 m de largo y 0.3 cm de diámetro se extiende a través de un cuarto a 15°C, como se muestra en la figura 1 -34. Se genera calor en el alambre como resultado de un calentamiento por resistencia y se mide la temperatura de la superficie de ese alambre como 152°C en operación estacionaria. Asimismo, se miden la caída caída de tensión y la corriente eléctrica eléctrica que pasa por el alambre, resultando ser 60 V y 1.5 A, respectivamente. Descartando cualquier transferencia de calor por radiación, determine el coeficiente de transferencia de calor por convección entre la superficie exterior del alambre y el aire que se encuentra en el cuarto.
SOLUCIÓN Se va a determinar el coeficiente de transferencia de calor por convección de un alambre calentado eléctricamente hacia el aire, midiendo las temperaturas cuando se alcanzan las condiciones estacionarias de operación y la potencia eléctrica consumida. estacionarias de operación, ya que las lecturas S upos ic ion iones es 1 Existen condiciones estacionarias de la temperatura no cambian con el tiempo. 2 La transferencia de calor por radiación es despreciable. A nális is Cuando se alcanzan las condiciones estacionarias de operación, la razón de la pérdida de calor del alambre será igual a la rapidez de generación de calor que resulta del calentamiento por resistencia; es decir,
Discusión Note que el sencillo planteamiento que acaba de describirse se puede usar para determinar coeficientes promedio de transferencia de calor desde diversas superficies en el aire. Asimismo, se puede eliminar la transferencia de calor por radiación manteniendo las superficies circundantes a la temperatura del alambre.
Un tubo de agua caliente con un diámetro exterior de 5 cm y de 10 m de largo, a 80°C, está perdiendo calor hacia el aire circundante, a 5°C, por convección natural con un coeficiente de transferencia de calor de 25 W/m 2 · °C. Determine la razón de la pérdida de calor del tubo por convección natural, en W. 1-71
Un calentador a base de resistencia eléctrica, con diámetro de 0.5 cm y temperatura superficial de 120ºC, está inmerso en 75 kg de agua cuya temperatura inicial es de 20ºC. Determine cuánto tiempo tomará a este calentador elevar la temperatura del agua a 80ºC. Asimismo, determine los coef icientes de transferencia de calor por convección al principio y al final del proceso de calentamiento. 1-70
Un tablero de circuitos de 10 cm de alto y 20 cm de ancho aloja sobre su superficie 100 chips espaciados en fo rma cerrada, generando cada uno de ellos calor a razón de 0.08 Wy transfiriéndolo por convección y radiación hacia el medio que lo rodea, que se encuentra a 40°C. La transferencia de calor desde la superficie posterior del tablero es despreciable. Si el coeficiente combinado de transferencia de calor por convección 1-146
y radiación del tablero es 22 W/m 2 · °C, la temperatura superficial promedio del chip es Se usa un alambre de resistencia eléctrica de 40 cm de largo y 0.4 cm de diámetro, sumergido en agua, para determinar el coeficiente de transferencia de calor por convección en agua durante la ebullición, a una presión de 1 atm. Se sabe que la temperatura superficial del alambre es de 114°C, cuando un wattímetro indica que el consumo de potencia eléctrica es de 7.6 kW. El coeficiente de transferencia de calor es 1-147
1-150Una superficie negra de 3 m 2, que está a 140°C, está perdiendo calor hacia el aire de los alrededores que se encuentra a 35°C, por convección con un coeficiente de transferencia de calor de 16 W/m2 · °C, y por radiación hacia los alrededores que están a 15°C. La razón total de la pérdida de calor de la superficie es
1-70
1-71
1-146
1-147
1-150
Se sabe bien que el viento hace que el aire frío se sienta mucho más frío como resultado del efecto de enfriamiento por el viento, que se debe al aumento en el coeficiente de transferencia de calor por convección junto con el aumento en la velocidad del aire. El efecto de enfriamiento por el viento suele expresarse en términos de factor de enfriamiento por el viento, el cual es la diferencia entre la temperatura real del aire y la temperatura equivalente del aire en calma. Por ejemplo, un factor de enfriamiento por el viento de 20°C, para una temperatura real del aire de 5°C, significa que el aire ventoso a 5°C se siente tan frío como el aire en calma a _ 15°C. En otras palabras, una 1-117
persona desprenderá tanto calor hacia el aire a 5°C, con un factor de enfriamiento por el viento de 20°C, como el que perdería en aire en calma a _ 15°C. Para los fines de la transferencia de calor, un hombre de pie se puede modelar como un cilindro vertical de 30 cm de diámetro y 170 cm de largo, con las superficies tanto de arriba como de abajo aisladas y con la superficie lateral a una temperatura promedio de 34°C. Para un coeficiente de transferencia de calor por convección de 15 W/m 2 · °C, determine la rapidez de la pérdida de calor de este hombre, por convección, en aire en calma a 20°C. ¿Cuál sería su respuesta si el coeficiente de transferencia de calor por convección se incrementara hasta 50 W/m2 · °C como resultado de los vientos? ¿Cuál es el factor de enfriamiento por el viento en este caso?
Una placa metálica delgada tiene aislada la parte pos terior y la superficie del frente expuesta a la radiación solar. La superficie expuesta de la placa tiene una absortividad de 0.7 para la radiación solar. Si la radiación solar incide sobre la placa a razón de 550 W/m2 y la temperatura del aire circundante es de 10°C, determine la temperatura superficial de la placa cuando la pérdida de calor por convección es igual a la energía solar absorbida por dicha placa. Tome el coeficiente de transferencia de calor por convección como 25 W/m2 · °C y descarte cualquier pérdida de calor por radiación. 1-118
