UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER 1er Examen Transferencia de Calor Diciembre 15 de 2009 Prof. David Fuentes Grupo C1 Nombre:______________________________________________ Código:_____________________
1) Una persona que toma un baño de sol en la playa absorbe el 70% de la radiación proveniente del 2 sol que es de 1000 W/m . La epidermis (piel externa), con conductividad térmica k=0.62 W/mK, se considera de espesor 0.5 cm, y su emisividad ε=0.95. El coeficiente de transmisión de calor por convección entre la epidermis y la sangre en el torrente capilar adyacente a la epidermis es de 430 2 W/m K. El coeficiente de transferencia de calor entre la superficie de la epidermis y el aire es de 15 2 W/m K. Si la temperatura de la sangre es de 37.0 °C, la temperatura del aire es de 32 °C, y la 2 pérdida de calor por evaporación es de 150 W/m , calcular: a) La temperatura de la superficie externa (en contacto con el aire) de la epidermis. b) El calor neto perdido a través de la epidermis.
1. Pr i mer Par Par ci al
Calificación UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingeniería Mecánica 1er examen Transferencia de Calor I David Fuentes Díaz Dic 17 de 2007
Nombre:____________________________________Código:_______________Grupo:__________ Nombre:______________________________ ______Código:_______________Grupo:__________
1) Los dos extremos de una barra de cobre en forma de U de 0.6 cm de diámetro están rígidamente empotrados a una pared vertical, como se muestran en la figura. La temperatura de la pared se mantiene a 93 ºC. La longitud de la barra es de 0.6 m y está expuesta al aire que está a 38ºC. El coeficiente de transferencia de calor por convección es de 12 W/m2K, mientras que la emisividad del cobre es de 0.85 y la temperatura de referencia para la radiación es de 25 ºC. Calcular la temperatura en el punto medio de la barra. Conductividad del cobre = 220 W/mK.
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UNIVERSIDAD INDUS RIAL DE SANTANDER 1er Examen Examen Trans Transfere ferenci nci de Calor I Jun 04 de 2010 Prof. David Fuentes
Nombre:_____________ ____ ______ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ___ _ __ Código:____________________ 1er punto (50%) Para reducir las pérdidas de calor durante el invierno en las ca sas sas se exig xige el uso de ven ventanas nas de d ble vidrio (en muchos países con con estac estacion iones es los código códigoss norm normati ativ v os para la construcción de las casas), tal como se muestra en la fi ura. ra. Nor Norm malmente, te, est estaas ve ventan tanas ll ll evan evan aire aire entr entree los los dos dos vid vidri rios os,, mie mien n ras que otros pueden dejarse al vacío el espacio entre los vidrios. Para la la ventana ventana con con dimensio dimensiones nes qu se muestran en la figura: a) Determine la dis inución inución en porcen porcentaj tajee del del calor calor perd perdii o a trav través és de la vent ventaana cuan cuando do se ti ne un solo vidrio y c ando se tienen dos vidrios. b) Si el esp espac acio io ent ent re los vidrios se deja al vacío, el calo calorr per perdi dido do ¿aum ¿aumen enta ta o dis dismi minu nuye? Argumente su res uesta. Adicionalmente, ot otro fa fa tor a tener en cuenta en el diseño de la ventan ventanaa es la propo proporción rción qu qu el material de de soporte del vi vi drio ocupa respecto del área total de la vent ventan anaa y las las car carac acte terí ríst stic icas as térmi térmi cas de este. Para un área del arco del 15 % respecto del área total de la ventana: c) Determine la dis inución/aumento en porcentaje del calor perdido a través travé s de la vent ana cuando el marco es de de made madera ra o de metal metal,, para para el el caso en que se tenga una ventana de os vidrios.
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER 1er Examen Transferencia de Calor I Jun 04 de 2010 Prof. David Fuentes Nombre:______________________________________________ Código:_____________________ 2do punto (50%) Un sartén metálico contiene agua hirviendo a 100 ºC. Se asume que el mango del mismo es un cilindro sólido con las características que a continuación se indican. 1) Calcular a partir de qué posición del mango será posible levantarlo sin quemarse, considerando que para ello debe encontrarse a una temperatura máxima de 50 ºC. Utilizar la hipótesis de flujo de calor despreciable en el extremo del mismo. 2) Si se cambiase el mango sólido por uno hueco, cuál sería la variación en el calor transmitido a través del mango? Datos del problema: Diámetro: Temperatura del agua: Longitud: Conductividad térmica: térmi ca:
D = 0.01 m T agua= 373 K L =0.175 m k = 40 W/ m K
Respecto al aire ambiente, considerar los siguientes datos: Temperatura: T amb = 293 K Coeficiente de convección: convecció n: h = 10 W/m K
UNIVERSIDAD INDUS RIAL DE SANTANDER 1er Examen Examen Trans Transfere ferenci nci de Calor I Nov 13 de 2010 Prof. David Fuentes
Nombre:_____________ ____ ______ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ___ _ __ Código:____________________ 1er punto (50%) En el hoga hogarr de de una una cald caldee a ocu ocurr rree la la com combu bust stión ión del del com combu bust stii ble con el oxidante. Se desea calcular el flujo de calor a través de la pare pared d de de la cald calder eraa y las las tem tempe pera ratt uras de cada cada una de las superficies superficies si se conocen las siguientes m gnitudes: Temperatura de los gases de combustión: combustión : 1200 °C. Temperatura del agua en bullición: bullició n: 250 °C. Temperatura del aire exte rior: 25 °C. 2 Coef Coefic icie ient ntee de de tra trans nsfe fere ren n ia de calor de los gases a la pared: h 1=120 W/m K 2 Coef Coefic icie ient ntee de de tra trans nsfe fere ren n ia de calor de la pared al agua: h 2=5000 W/m K. 2 Coef Coefic icie ient ntee de de tra trans nsfe fere ren n ia de calor del aislamiento al aire: h 3 12 W/m K Conducti Conductivida vidad d térmica d la pared k ac ac= 35 W/mK. Cond Conduc ucti tivi vida dad d térmi térmica ca d l aislamiento k ais ais=0.02 W/mK. Emisi Emisivid vidad ad de la super superfic ficie interior de la caldera: εint=0.35 Espesor aislamiento: eais=7 cm Espesor pared de agua: epared= 4mm En la caldera, por el lado de los gases de combustión, la pared quedó quedó cubierta cubierta por por una una capa capa de hollí hollí de espesor de 1 mm con k hollin =0.08 =0.08 W/mK. W/mK. Si se consi considera dera l a tem tempe pera ratu tura ra de los los gas gasees y del del a ua permanece ecen igu iguales les al c aso anterior, calcule el aumento o ism isminuc inució ión n de de te temperatura ura qu que oc oc rre comp compar arad ado o con con la la sit situa uaci ci n en la que no hay capa de hollín. Emisividad del hollín:
εhollin
=0.85
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER 1er Examen Transferencia de Calor I Nov 13 de 2010 Prof. David Fuentes Nombre:______________________________________________ Código:_____________________ 2do punto (20%) Determine si la siguiente ecuación corresponde a una ecuación de conducción de calor:
� � ∑ ∙ � ∙
3er punto (30 %): En la construcción de vigas y columnas de concreto, es necesario insertar refuerzos de acero con el objeto de darle al concreto mayor resistencia a la tensión. Se desea saber cuál es el aumento o disminución en la resistencia térmica de una viga de concreto que ha sido reforzada con acero, como se muestra en la Figura. Datos k concreto concreto=1.4 W/m K k acero Diámetro 19 mm, acero= 64 W/m K Espaciamiento vertical y horizontal de las varillas de acero= 30 mm
Acero
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER 1er Examen Transferencia de Calor Diciembre 15 de 2009 Prof. David Fuentes Grupo C1 Nombre:______________________________________________ Código:_____________________
1) Una persona que toma un baño de sol en la playa absorbe el 70% de la radiación proveniente del 2 sol que es de 1000 W/m . La epidermis (piel externa), con conductividad térmica k=0.62 W/mK, se considera de espesor 0.5 cm, y su emisividad ε=0.95. El coeficiente de transmisión de calor por convección entre la epidermis y la sangre en el torrente capilar adyacente a la epidermis es de 430 2 W/m K. El coeficiente de transferencia de calor entre la superficie de la epidermis y el aire es de 15 2 W/m K. Si la temperatura de la sangre es de 37.0 °C, la temperatura del aire es de 32 °C, y la 2 pérdida de calor por evaporación es de 150 W/m , calcular: a) La temperatura de la superficie externa (en contacto con el aire) de la epidermis. b) El calor neto perdido a través de la epidermis.
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER 1er Examen Transferencia de Calor Diciembre 15 de 2009 Prof. David Fuentes Grupo C1 Nombre:______________________________________________ Código:_____________________
1) Una persona que toma un baño de sol en la playa absorbe el 70% de la radiación proveniente del 2 sol que es de 1000 W/m . La epidermis (piel externa), con conductividad térmica k=0.62 W/mK, se considera de espesor 0.5 cm, y su emisividad ε=0.95. El coeficiente de transmisión de calor por convección entre la epidermis y la sangre en el torrente capilar adyacente a la epidermis es de 430 2 W/m K. El coeficiente de transferencia de calor entre la superficie de la epidermis y el aire es de 15 2 W/m K. Si la temperatura de la sangre es de 37.0 °C, la temperatura del aire es de 32 °C, y la 2 pérdida de calor por evaporación es de 150 W/m , calcular: a) La temperatura de la superficie externa (en contacto con el aire) de la epidermis. b) El calor neto perdido a través de la epidermis.
. Seg undo undo Par ci al ............ Página 22-51
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER 1er Examen Transferencia de Calor Agosto 05 de 2009 Prof. David Fuentes Grupo B1 Nombre:______________________________________________ Código:_____________________ Punto 1. (70 %) L Condensador Aletas
Tubos horizontales
La figura muestra el diseño de un condensador de una nevera doméstica. El condensador se compone de unos tubos horizontales que están unidos unidos unos con otros mediante unos codos, y través del cual viaja por el interior el refrigerante que va a ser enfriado, como se muestra en la figura (a). De forma perpendicular a los tubos van
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER 2do Examen Transferencia de Calor I Ene 29 de 2011 Prof. David Fuentes
Nombre: ____________________________________________ _____________________________ _______________ Código: _______________________
1) En una fábrica de aluminio, se producen barras de aluminio extruido de dimensiones en la sección transversal de 2.5 cm x 5 cm a To °C. Una barra extruida pasa a través de un baño de agua una vez sale del proceso de extrusión. El agua está disponible a una temperatura de Tagua °C. El coeficiente de transmisión de calor entre el agua y la superficie de la barra de aluminio es de hagua W/m2 K. Las propiedades del aluminio son: k= 230 W/m K, =2707 kg/m3, c p=896 J/kg K. a) Si las barras se producen a una velocidad de 0.5 m/s, determine la longitud L de tanque requerido para reducir la temperatura de la línea central de las barras a 150 °C. b) Cuál es la máxima temperatura posible que se puede alcanzar en las barras una vez abandonan el tanque de enfriamiento?
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER 2o Examen Transferencia de Calor Febrero 25 de 2010 Prof. David Fuentes
Nombre:______________________________________________ Nombre:______________________________ ________________ Código:_____________________ Código:_______________ ______ 1) [50%] Una empresa de alimentos desea diseñar un horno continuo para la cocción de panetones navideños (tortas en forma de cilindros cortos) con dimensiones 30 cm de diámetro y 25 cm de alto, como se muestra en la figura. A partir de datos experimentales se sabe que la torta tiene las siguientes propiedades: W(peso)=1.2 kg, Cp = 1250 J/kg K, k=0.7 W/m K. El cocinero, a través de su experiencia, sabe que el panetón queda cocinado cuando en su centro de masa se ha alcanzado una temperatura de 85°C. Para que no se queme, no debe superarse una temperatura de 100°C en todos los puntos del panetón. Para lograr la cocción los panetones se cargan en una banda transportadora, permitiendo la transferencia de calor del aire circundante hacia el panetón, sólo por las caras expuestas del panetón. Es decir, la cara que queda apoyada sobre la banda transportadora se considera adiabática. Para el proceso de cocción se usa aire caliente a 200°C y se considera que el coeficiente de transmisión de calor se puede calcular con la relación h=C*V0.52, donde V es la velocidad del aire, C es una constante de valor 0.7. El panetón entra al horno a temperatura ambiente de 25°C, y se desean procesar 100 panetones por hora. Calcular: Las dimensiones del horno, la velocidad del aire necesaria, y el calor necesario. Campana aire Panetón
Calificación UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingeniería Mecánica Segundo examen Transferencia de Calor David Fuentes Díaz Feb 26 de 2010
Nombre:____________________________________Código:_______________Grupo:__________ Nombre:___________________________ _________Código:_______________Grupo:__________
Considerar dos barras de diámetros respectivos D1 y D2 mm y longitud L1 y L2, compuestas de materiales con conductividades térmicas diferentes k 1 y k 2. Ambas barras están soldadas entre sí en uno de sus extremos, y en el otro unidas a dos superficies su perficies a temperaturas uniformes T1 y T2. El aire que rodea a las barras se encuentra a una temperatura Taire, y con una velocidad vaire. Calcular el calor transmitido por las dos barras y la temperatura en la unión de d e las dos barras, para los siguientes datos:
vaire
D1= 20 mm D2=16 mm L1=L2=20 cm T1=300 °C
vaire
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER 2o Examen Transferencia de Calor I Julio 21 de 2008 Prof. David Fuentes
Nombre:______________________________________________ Nombre:______________________________ ________________ Código:_____________________ Código:_______________ ______ 1) [50%] Una empresa de alimentos precocidos desea diseñar un equipo para el procesamiento de papa criolla con fines de exportación. A partir de datos experimentales obtenidos en laboratorio se ha determinado que la papa se cocina completamente cuando alcanza los 83°C. Además, se determinaron las siguientes propiedades (en promedio): 3 =1200 kg/m , cp=5000 J/kg K, k=10 W/mK, d papa=1 pulg. Para lograr la cocción, por medio de una banda transportadora, como se muestra en la figura, la papa se introduce en un tanque con agua a 100°C a una velocidad de 0.02 m/s. Una vez que la papa ha alcanzado el final del tanque, la papa tiene la temperatura de cocción, es decir 83°C. Después del proceso de cocción es necesario un proceso de enfriamiento para el empaque. Para el proceso de enfriamiento, la papa criolla se hace pasar a través de una campana por el cual circula aire (en dirección perpendicular al papel) a una temperatura de 20 °C. Al final de éste proceso la papa debe estar a 25°C. Si el coeficiente de convección en el agua es de hagua=80 W/m2K y en el aire es de haire=140 W/m2K, calcular la longitud que debe tener el tanque de agua y la campana de aire para cumplir con las metas del proceso. Además determinar el calor aportado al sistema en el proceso de calentamiento por papa, y el calor rechazado en el proceso de enfriamiento. Campana aire
Papa Aire: T=20°C
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER 2o Examen Transferencia de Calor I Julio 21 de 2008 Prof. David Fuentes
Nombre:______________________________________________ Nombre:___________________________ ___________________ Código:_____________________ Código:_____________ ________ 1) Los cojinetes de bolas (balines) se tienen que endurecer templándolos en un baño de agua a una temperatura de 35°C. Un empresario, desea diseñar u n proceso continuo donde los cojinetes c ojinetes puedan rodar en un horno de calentamiento con temperatura uniforme de 900°C. Una vez los cojinetes han pasado por el horno se introducen en el agua para el proceso de templado. Para evitar el deterioro prematuro de la banda transportadora, se requiere que los balines no salgan del agua a una temperatura superior de 90°C. Se suponen unos un os coeficientes de transferencia de convección e ntre los cojinetes y el 2 aire en el horno de 200 W/m K, y entre el agua y los cojinetes de 500 W/m2K. Si desean templar 100000 cojinetes de 1 pulg de diámetro por hora: a) Encontrar la longitud de cada parte p arte del proceso (es decir calentamiento y enfriamiento) b) Calcular el calor que se debe retirar en el agua para que la temperatura del agua permanezca constante. Otros datos: Temperatura inicial de los balines: 30°C. 3 =7800 kg/m , cp=440 J/kg K, k=37 W/mK.
Horno Balines
Movimiento de los balines
Aire: T=900°C
Agua: T=35°C
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER 2do Examen Transferencia de Calor I Jul 17 de 2010 Prof. David Fuentes
Nombre:______________________________________________ Nombre:______________________________ ________________ Código:_____________________ Código:_______________ ______
1) Un recipiente cilíndrico de pared delgada (de 1 m de diámetro) se llena con agua hasta una profundidad de 1.2 m a una temperatura inicial de 15 °C. El agua se agita perfectamente bien por medio de un agitador mecánico. Calcular el tiempo requerido para que el centro de la superficie libre del agua alcance los 50°C si el recipiente se sumerge de repente en aceite a 110 °C. El coeficiente de transferencia de calor entre el agua y el cilindro es de 300 W/m2K, y entre el cilindro y el aceite de 350 W/m2K. Otros datos: ecil=4 mm (espesor del recipiente cilíndrico) k cil cil= 150 W/mK (conductividad térmica del recipiente) Agitador
Recipiente cilíndrico
Agua
Aceite
2) Dos anillos de sección cuadrada (lado= 3 mm), de materiales diferentes, cobre y acero, se encuentran unidos en un punto de su circunferencia. Están en contacto con aire, a temperatura de 293 K, con coeficiente de convección uniforme, h = 10 W/m2 K. El punto de contacto de ambos anillos se calienta hasta una temperatura de 393 K. Hallar la relación de radios de ambos anillos, para que en el punto diametralmente opuesto al de contacto, la temperatura de ambos anillos sea la misma. Conductividad térmica del cobre 160 W/mK. Conductividad térmica del acero 10.
T´
Tb = 393 Taire = 293 h = 10 ka = 10 kc = 160 L = 0.003 0.003
T=393 K
Solución A=0.000009 F=0.000935 h=10 k_a=10 k_c=160 L=0.003 L_a=0.21 L_c=0.84
T´
D = 1
Cp = 4186.8 4186.8
H = 1.2
m = · Vol
To = 15
= 1000
Tf = 50
Vol = Adisco · H
Taceite = 110
tmin =
h agua = 300 h aceite = 350 e cil = 0.004 kcil = 150 Problema tra Tf – Taceite To – T aceite UA = 1 RT
= exp
– UA m · Cp
· t
1 RT
=
1 RT,cil
RT,cil =
+
1 RT,disco
1 h agua · Aint
ln
+
r 2 r 1
2 · · kcil · H
+
1 h aceite · Aext
t 60
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER 1er Examen Transferencia de Calor Diciembre 15 de 2009 Prof. David Fuentes Grupo C1 Nombre:______________________________________________ Código:_____________________
1) Una persona que toma un baño de sol en la playa absorbe el 70% de la radiación proveniente del 2 sol que es de 1000 W/m . La epidermis (piel externa), con conductividad térmica k=0.62 W/mK, se considera de espesor 0.5 cm, y su emisividad ε=0.95. El coeficiente de transmisión de calor por convección entre la epidermis y la sangre en el torrente capilar adyacente a la epidermis es de 430 2 W/m K. El coeficiente de transferencia de calor entre la superficie de la epidermis y el aire es de 15 2 W/m K. Si la temperatura de la sangre es de 37.0 °C, la temperatura del aire es de 32 °C, y la 2 pérdida de calor por evaporación es de 150 W/m , calcular: a) La temperatura de la superficie externa (en contacto con el aire) de la epidermis. b) El calor neto perdido a través de la epidermis.
3. 3. T er cer Par ci al ............ Página 52-59
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER 3er Transferencia de Calor I Agosto 11 de 2008 Prof. David Fuentes En la Figura se muestra el esquema de un colector solar para el calentamiento de agua, que tiene un área de 4 m2. Sobre la cubierta transparente, que transmite el 90% del calor que recibe, incide una radiación solar de 750 W/m2. Detrás de la placa absorbente se encuentran encu entran soldados varios tubos, por los que entra agua a 25 °C. La cubierta transparente está a una temperatura constante de 27 °C en estado estacionario e irradia calor con una emisividad de 0.92 hacia el cielo que se encuentra a -52°C; además pierde calor por convección al aire que se encuentra a 20°C. El aire viaja por encima de la cubierta a una velocidad de 20 km/h. Asumir que la cubierta transparente alcanza una temperatura uniforme. Calcular: 1) El calor absorbido por el agua 2) La eficiencia del colector, calculada como el calor absorbido por el agua agu a sobre la radiación solar incidente al colector 3) La temperatura de salida del agua si el flujo másico es de 0.02 kg/s. Datos: Separación entre tubos ( L): 20 cm Diámetro del tubo ( D2 /D1) 15/12 mm Conductividad del tubo: k=50 W/mK Largo de los tubos 2 m. Espesor de la placa (t ): ): 6 mm
NOTA: EL DIBUJO A CONTINUACIÓN PUEDA QUE NO CORRESPONDA A LA REALIDAD FÍSICA EXPERIMENTADA EN EL COLECTOR SOLAR, ES DECIR, LOS FLUJOS DE CALOR PRESENTES PUEDA QUE NO ESTÉN MOSTRADOS EN SU TOTALIDAD.
Propiedades del agua T °C
C p kJ /kg K
k W/m W/ mk
kg/m
20
998.21
4.1841
598.46
1001.6
7.0026
22
997.77
4.1828
602
954.42
6.6315
24
997.3
4.1818
605.48
910.73
6.29
26
996.79
4.1809
608.89
870.18
5.9751
28
996.24
4.1803
612.23
832.48
5.6841
30
995.65
4.1798
615.5
797.35
5.4147
32
995.03
4.1795
618.69
764.56
5.1649
34
994.37
4.1793
621.8
733.9
4.9328
36
993.68
4.1792
624.83
705.19
4.7168
38
992.97
4.1793
627.77
678.27
4.5155
40
992.22
4.1794
630.63
652.98
4.3275
42
991.44
4.1796
633.4
629.19
4.1519
44
990.63
4.18
636.08
606.78
3.9875
46
989.79
4.1803
638.67
585.65
3.8333
48
988.93
4.1808
641.18
565.71
3.6887
50
988.03
4.1813
643.59
546.85
3.5528
52
987.12
4.1819
645.92
529
3.425
54
986.17
4.1826
648.17
512.1
3.3046
56
985.21
4.1833
650.32
496.07
3.191
58
984.21
4.1841
652.4
480.85
3.0839
60
983.2
4.185
654.39
466.4
2.9827
62
982.15
4.1859
656.29
452.65
2.887
64
981.09
4.1868
658.12
439.57
2.7964
66
980
4.1878
659.86
427.1
2.7106
68
978.9
4.1889
661.53
415.22
2.6293
70
977.76
4.1901
663.13
403.89
2.5521
72
976.61
4.1913
664.65
393.07
2.4787
74
975.44
4.1925
666.09
382.74
2.409
76
974.24
4.1939
667.47
372.85
2.3427
78
973.03
4.1953
668.77
363.4
2.2796
80
971.79
4.1968
670.01
354.35
2.2195
3
Pr 6
Pa.s 10
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingeniería Mecánica Transferencia de Calor I Prof. David Fuentes. Septiembre 12 de 2009. Nombre:______________________________________________ Nombre:______________________________ ________________ Código:_____________________ Código:_______________ ______
1) Un microprocesador de un computador tiene un disipador como el que se muestra, compuesto de 100 agujas de sección cuadrada. Datos: L aleta = 0.02 m
k aleta aleta = 100 W / m K
t aleta = 0.003 m
h = 25 W / m2 K
T base con aletas = 80ºC
Tambiente = 25ºC
0.057 m
t 0.057 m
Examen Transferencia de Calor I Escuela de Ingeniería Mecánica Universidad Industrial de Santander Septiembre 21 de 2009
Nombre:______________________________ ______________ Nombre:____________________________________________ Código:____________________________Grupo:_______ ____
1) (50%)
Una pared exterior de una casa, de espesor L=20 cm cm y conductividad k=1.5 W/m °C está cubierta por el lado exterior con un material de emisividad ε=0.82 y con una absortividad solar (energía que se absorbe de la toda la radiación solar incidente) de α=0.25, como se muestra en la figura. La superficie interior está en contacto con aire a una temperatura T int y con coeficiente de convección de hint =10 =10 W/m2 K , mientras int = 25 °C y que la superficie exterior está expuesta a una radiación solar incidente de q solar =1000 =1000 W/m2. La superficie exterior pierde calor por radiación con el cielo que está a una temperatura de T cielo y con aire que está a una cielo= -35 °C y temperatura de T ext =35 °C . Aire incide a una velocidad velocidad de 40 km/h en ext =35 dirección paralela a la profundidad de la pared (entrando al papel). La pared de la casa tiene una profundidad de 20 m y una altura de 2.5 m. m. Determinar la temperatura de la superficie exterior y el calor transferido a través de la pared cuando se alcanzan condiciones de operación estables.
2) (50%) De un horno de tratamiento térmico a 400°C, se extrae una barra hexagonal de cobre larga. La barra se coloca en una corriente de aire a 50 °C con una velocidad de 0.1 m/s. La superficie del cobre tiene una emisividad de 0.9 a causa de la oxidación. La barra tiene 3cm entre sus lados opuestos planos. Determine el tiempo necesario para que el centro de la barra se enfríe a 100 °C.
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER 1er Examen Transferencia de Calor Diciembre 15 de 2009 Prof. David Fuentes Grupo C1 Nombre:______________________________________________ Código:_____________________
1) Una persona que toma un baño de sol en la playa absorbe el 70% de la radiación proveniente del 2 sol que es de 1000 W/m . La epidermis (piel externa), con conductividad térmica k=0.62 W/mK, se considera de espesor 0.5 cm, y su emisividad ε=0.95. El coeficiente de transmisión de calor por convección entre la epidermis y la sangre en el torrente capilar adyacente a la epidermis es de 430 2 W/m K. El coeficiente de transferencia de calor entre la superficie de la epidermis y el aire es de 15 2 W/m K. Si la temperatura de la sangre es de 37.0 °C, la temperatura del aire es de 32 °C, y la 2 pérdida de calor por evaporación es de 150 W/m , calcular: a) La temperatura de la superficie externa (en contacto con el aire) de la epidermis. b) El calor neto perdido a través de la epidermis.
4. Cuar uar to Par ci al ............ Página 60-74
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingeniería Mecánica Profesor David Fuentes Díaz Abril 05 de 2010
PROBLEMA
Considérese un radiador de automóvil que tiene que disipar una potencia calorífica de 50 kW con una caída de temperatura del agua desde 95 hasta 70ºC. El agua circula verticalmente por el interior de tubos de sección interior rectangular, rectangular, de 50 mm por 2.5 mm y espesor espesor de pared de 0.5 mm. El material de los tubos es aluminio, de conductividad 130 W/m K. La velocidad de circulación del agua por el interior de los tubos es de 0.8 m/s. m/s. Por el exterior circula un flujo de aire a una velocidad frontal de 6 m/s. La temperatura del aire ambiente es de 25 ºC. Calcular las dimensiones del intercambiador para los dos casos siguientes: 1) Caso en que no hubiera aletas, y el aire pasara entre los tubos desnudos. 2) Caso en que los tubos se aletean exteriormente con aletas planas del mismo material, con la geometría y dimensiones que se indican en el dibujo adjunto. NOTA: Para el segundo caso, utilice alguna correlación (la que usted elija) para flujo interno para calcular el coeficiente de convección externo (del aire), tomando como diámetro hidráulico Dh=4A p/Ph.
Hint=2.5 mm
Flujo de agua stubos
esp= 0.5 mm
Wint=50 mm
saletas=1.5 mm ealetas= 0.15 mm
Tercer Examen Transferencia de Calor Nombre:_________________________________________ Escuela de Ingeniería Mecánica Código:____________________________Grupo:___________ Universidad Industrial de Santander Marzo 23 de 2010 Un intercambiador de calor de doble tubo, de dimensiones según se muestran en la figura que acompaña a este párrafo, se emplea para calentar 7 kg/s de un fluido desde 15 a 55 °C usando 13.5 kg/s de agua que varía de a 95°C. El agua fluye en contracorriente respecto del fluido. El fluido fluye por el ánulo. Calcular la longitud de intercambiador de calor requerido. Considere que el intercambiador está perfectamente aislado en la parte exterior.
Fluido m
m
m
m
9
5
3.
4 4
0
m
8
7 8
9. =
4
= = D
Fluido
Aletas longitudinales Datos: Del fluido: Densidad Calor específico Conductividad Viscosidad
kg/m3 cpfluido = 1220 J/kg K k fluido fluido=0.438 W/mK -3 fluido=2.7x10 Pa . sg fluido=944
Del material de los tubos k tubos tubos=150 W/mK
m
m
Agua
m D
D D
=