TALLER DE PROCESOS INDUSTRIALES TRANSFERENCIA DE CALOR DESDE SUPERFICIES CON ALETAS Luis Campos González 1.
Dos tubos de hierro fundido (k ( k = 52 W/m °C) de 4 m de largo, 0.4 cm de espesor y 10 cm de diámetro que conducen vapor de agua están conectados entre sí por medio de dos bridas de 1 cm de espesor cuyo diámetro exterior es de 18 cm. El vapor fluye en el interior del tubo a una temperatura promedio de 200°C con un coeficiente de transferencia de calor de 180 W/m 2 °C. La superficie exterior del tubo está expuesta a un ambiente a 12°C, con un coeficiente de transferencia de calor de 25 W/m2 K. a) Si se descartan las bridas, determine la temperatura promedio de la superficie exterior del tubo. b) Con esta temperatura para la base de la brida y si se consideran a las bridas como aletas, determine la eficiencia de la aleta y la razón de la transferencia de calor desde ellas. c) ¿A qué longitud del tubo es equivalente la sección de las bridas para los fines de la transferencia de calor?
2.
Se va a enfriar un transistor de potencia de 40 W acoplándolo a un sumidero de calor de los que se encuentran en el comercio y que se muestran en la tabla adjunta. Seleccione un sumidero de calor que permitirá que la temperatura de la caja del transistor no sobrepase 90°C en el aire ambiente a 20°.
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Un álabe de la turbina hecha de una aleación metálica (k (k = 17 W/m K) tiene una longitud de 5.3 cm, un perímetro de 11 cm y un área de sección transversal de 5.13 cm 2. El álabe de la turbina está expuesto al gas caliente de la cámara de combustión a 973°C con un coeficiente de transferencia de calor por convección de 538 W/m 2 K. La base del álabe de la turbina mantiene una temperatura constante de 450°C y su punta es adiabática. Determine la razón de transferencia de calor al álabe de la turbina y su temperatura en la punta. Una tubería con diámetros interno y externo de 50 mm y 60 mm, respectivamente, se utiliza para transportar vapor sobrecalentado en una planta de manufactura. Los tubos de la tubería de una conductividad térmica de 16 W/m K se conectan entre sí mediante bridas con un espesor combinado de 20 mm y un diámetro externo de 90 mm. El aire que rodea a la tubería tiene una temperatura de 25°C y un coeficiente de transferencia de calor por convección de 10 W/m2 K. Si la temperatura de la superficie interna de la tubería se mantiene a una temperatura estacionaria de 150°C, determine la temperatura en la base de la brida y la razón de pérdida de calor a través de ésta. Respuestas: ésta. Respuestas: 148°C, 18 W
Una pared plana con una temperatura superficial de 350°C está conectada a aletas rectangulares rectas (k ( k = 235 W/mK). Las aletas están expuestas a una temperatura ambiente de 25°C y el coeficiente de transferencia de calor por convección es de 154 W/m2 K. Cada aleta tiene una longitud de 50 mm, una base de 5 mm de espesor y una anchura de 100 mm. Determine la eficiencia, la razón de transferencia de calor y la efectividad de cada aleta, mediante a) la tabla 3-3 y b) la figura 3-43.
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Tabla N°1
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Tabla N° 2
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El vapor de un sistema de calefacción fluye por tubos cuyo diámetro exterior es de 5 cm y cuyas paredes se mantienen a 130°C. Al tubo se le sujetan aletas circulares de la aleación de aluminio 2024-T6 ( k = 186 W/m °C), de diámetro exterior de 6 cm y espesor constante de 1 mm. El espacio entre las aletas es de 3 mm y, por lo tanto, se tienen 250 aletas por metro de longitud del t ubo. El calor se transfiere al aire circundante que está a T=25°C, T=25°C, con un coeficiente de transferencia de calor de 40 2 W/m °C. Determine el aumento en la transferencia de calor desde el tubo, por metro de longitud, como resultado de la adición de las aletas. Respuesta: 1 788 W
7.
Una superficie caliente a 100°C se va a enfriar sujetándole aletas de pasador de aluminio (k ( k = 237 W/m °C) de 0.25 cm de diámetro, 3 cm de largo y con una distancia entre centros de 0.6 cm. La temperatura del medio circundante es de 30°C y el coeficiente de transferencia de calor sobre las superficies es de 35 W/m2 °C. Determine la razón de la transferencia de calor desde la superficie para una sección de 1 m x 1 m de la placa. Determine también la efectividad total de las aletas.
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Se usan, para enfriamiento, aletas de sección transversal circular con un diámetro D diámetro D = 1 mm y una longitud L longitud L = 30 mm, fabricadas de cobre (k ( k = 380 W/m K), para mejorar la transferencia de calor desde una superficie que se mantiene a la temperatura Ts1 = 132°C. Cada aleta tiene uno de sus extremos fijado a esta superficie ( x = 0), en tanto que el extremo opuesto ( x ( x = L) L) se encuentra unido a una segunda superficie, la cual se mantiene a Ts2 = 0°C. El aire que fluye entre las superficies y las aletas también está a T ∞ = 0°C y el coeficiente de convección es h = 100 W/m2 K. a) Exprese la función ( x) x) = T ( x) x) – T – T ∞ a lo largo de una aleta y calcule la temperatura en x en x = L/2. L/2. b) Determine la razón de transferencia de calor desde la superficie caliente, a través de cada aleta, y la efectividad de ésta. ¿Se justifica el uso de aletas? ¿Por qué? c) ¿Cuál es la razón total de transferencia de calor desde una sección de la pared de 10 cm x 10 cm de dimensiones, la cual tiene 625 aletas uniformemente distribuidas? Suponga Suponga el mismo mismo coeficiente de convección para la aleta y para la superficie sin aletas.
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En una planta farmacéutica, un tubo de cobre (kc = 400,0 W/m ºC) con un diámetro interno de 20,0 mm y paredes de un espesor de 2,5 mm y una longitud de 5,0 m se utiliza para transportar oxígeno líquido a un tanque de almacenamiento. El oxígeno líquido que fluye en el tubo tiene una temperatura promedio de – 200,0°C 200,0°C y un coeficiente de transferencia de calor de 120,0 W/m2 ºC. La temperatura ambiental que rodea al tubo es de 20,0°C y un coeficiente de transferencia de calor de 20,0 W/m2 ºC. Determine el espesor del aislamiento (ki = 0,5 W/m ºC) alrededor del tubo.
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10. Una pared plana con una temperatura superficial en la base de 300,0°C está unida a aletas triangulares de aluminio rectas (k = 236,0 W/m ºC). Las aletas están expuestas al aire ambiental de 25,0°C y el coeficiente de transferencia de calor por convección es de 25,0 W/m 2 ºC. Cada aleta tiene 55,0 mm de largo, una base de 4,0 mm de espesor y ancho de 110,0 mm. Mediante la tabla adjunta determine la eficiencia, la razón de transferencia de calor y la efectividad de cada aleta.
11. El diagrama muestra una sección cónica fabricada de aluminio puro, cuyo coeficiente conductivo es K = 209,3 W/m K. Es de sección transversal circular que tiene un diámetro D= ax1/2, donde a= 0,85 m1/2. El extremo se encuentra en x 1= 45,5 mm y el extremo x2=225,5 mm. Las temperaturas finales son T 1= 680,0 K y T2= 350,0 K, mientras que la superficie lateral es bien aislado. a)
b)
Deducir una expresión para la distribución de la temperatura T(x) en forma simbólica. Dibuje la distribución de la temperatura. Calcular la tasa qx calor. (qx=Q/A)
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