UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERÚ TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA. ASIGNATURA: TRANSFERENCIA PRACTICA DIRIGIDA DE CONDUCCIÓN
1. Un medidor de flujo de calor sujeto a la superficie interior de la puerta de un refrigerador que tiene 3cm de espesor indica 25W/m2 a través de la puerta. Así mismo las temperaturas interior y exterior de la puerta son 7 y 15°C respectivamente. Determine la conductividad térmica de la puerta del refrigerador.
2. Considere una pared gruesa de 3m de alto, 5m de ancho y 0,30m de espesor, cuya conductividad térmica es k= 0,9W/m.°C. Cierto día, se miden las temperaturas de las superficies interior y exterior de de esa pared y resultan ser 16 y 2°C, respectivamente. Considerando una una transferencia de calor unidimensional unidimensional en estado estacionario sin sin generación de energía. Se pide: a) La ecuación de distribución de temperatura e n el interior de la pared. b) El flujo de calor en la superficie de la pared.
3. Considere un tubo de vapor de agua de longitud L=20m, radio interior r 1= 8cm, radio exterior r2=10cm y conductividad térmica k=20W/m.°C. k=20W/m.°C. Las superficies interior interior y exterior del tubo se se mantienen a las temperaturas promedios de de T1=160°C y T2=70°C, respectivamente; considerando flujo permanente unidimensional estacionario sin generación de energía. Se pide: a) La ecuación de distribución de temperat ura en el interior del tubo. b) La temperatura cuando el radio del cilindro (r) es 9cm. c) El flujo de calor perdido del vapor a través del propio tubo, en kW.
4. Considere un recipiente esférico de radio interior r1=8cm, radio exterior r2= 10cm y conductividad térmica k=45W/m.°C. Las superficies interior y exterior se mantienen a las temperaturas constantes de T1=200°C y T2=80°C, respectivamente. ; considerando flujo permanente unidimensional estacionario sin generación de energía. Se pide: a) La ecuación de distribución de temperatura e n el interior del recipiente e sférico b) El flujo de calor perdido del vapor a t ravés recipiente esférico, en kW. k W.
5. Una tubería de vapor tiene un diámetro exterior de 170mm y está revestido de una capa de aislamiento de 100mm, cuya conductividad térmica es: k=0,062(1+0,00363T), donde T (°C) y k (W/m°C). Determine la pérdida mínima de calor (por metro de tubería de vapor) si la temperatura en la superficie externa de la tubería es 300°C, y la temperatura en la superficie externa del aislamiento no debe superar los 50°C.
6. Una capa cilíndrica de longitud L, radio interior r1 y exterior r2 y k = ko (1+βT2). La superficie interior de la capa se mantiene a una temperatura T1 y la exterior a T 2. Considerando una transferencia unidimensional de calor en estado estacionario, obtenga una relación para la razón de esa transferencia a través de la capa.
7. Considere una pared plana de espesor L cuya conductividad térmica varia ligeramente en un intervalo especificado de temperaturas como k(T) = k0( 1+βT), en donde k0 y β son constantes. La superficie de la pared en x=0 se mantiene a una temperatura constante T1, en tanto que en la
superficie en x=L se mantiene a T 2.Si se supone una transferencia de calor unidimensional en estado estacionario, Se pide: a) La ecuación de distribución de la t emperatura T(x) en ésta. b) El flujo de calor a través de la pared.
8. Una pared plana de espesor 2L, con generación interna de calor (egen) donde la temperatura en el centro de la pared es To (x=0). Si ambos lados de la pared se mantienen a una temperatura de constante Tp. Determine La ecuación de distribución de temperatura en el interior de la pared en función de los datos dados.
9. Un cable eléctrico de 1,27cm de diámetro va ser instalado con hule (k=0,1557W/m.K) ; el cable estará instalado en el aire (h=8,5W/m 2.K) a 21,1°C; suponiendo a una temperatura de 65°C en la superficie del cable. Se pide: a) El radio critico del aislante, en met ros b) El calor disipado sin el aislante y con el radio critico, en W/m
10. Una resistencia eléctrica de alambre de 2kW y 6m de largo esta echa de acero inoxidable de 0,2cm de diámetro (k=15,1W/m.°C). La resistencia del alambre opera en un medio ambiente a 20°C con un coeficiente de transferencia de calor de 175W/m 2.°C en la superficie exterior. Determine la temperatura superficial del alambre.
11. Se usa un tanque esférico de acero inoxidable con diámetro interno de 3m, 2cm de espesor (k= 15W/m.°C) para almacenar agua con hielo a T∞1=0°C. El tanque está ubicado en un cuarto cuya temperatura es T∞2=22°C. La transferencia de calor en la superficie exterior y los alrededores es por convección y radiación siendo los coeficientes de convección 2 2 2 hconv1=80W/m .°C, hconv2=10W/m .°C y hrad2= 5,34W/m .°C respectivamente. Se pide: a) El flujo de calor hacia el agua que está en el tanque, en kW. b) La temperatura de la superficie exterior del tanque.
12. Considere una ventana de 1m de alto por 2,4m de ancho que consta de dos capas de vidrio de 3mm de espesor (k=0,78W/m.°C) separadas por un espacio de aire estancado de 12mm de ancho (k=0,026W/m.°C). Considerando régimen estacionario Determine: a) El flujo de calor a través de la ventana de doble hoja considerando la temperatura de la superficie interior 20°C y la temperatura de la superficie exterior de vidrio de -4°C. b) las temperaturas en las fronteras de vidrio y el aire estancado, en °C.
13. En un tubo de hierro fundido (k=80W/m.°C), cuyos diámetros interior y exterior son D 1= 5cm y D2=5,5cm, respectivamente, fluye vapor de agua a T∞1=320°C. El tubo está cubierto con aislamiento de fibra de vidrio de 3cm de espesor, con k = 0.05W/m.°C. Se pierde calor hacia los alrededores que están a T∞2= 5°C por convección natural y radiación, con un coeficiente combinado de transferencia de calor de h2=18W/m2.°C. Si el coeficiente de transferencia de calor dentro del tubo es h1=60W/m2.°C (ver figura 1) determine: a) La razón de la pérdida de calor del vapor por unidad de longitud del tubo. b) La caída de temperatura a través de la capa de aislamiento.
14. El techo de una casa calentada eléctricamente tiene 6m de largo, 8m de ancho y 25cm de espesor y está hecha de una capa plana de concreto cuya conductividad térmica es k= 0,8W/m.°C.
Las temperaturas de las superficies interior y exterior miden 15°C y 4°C, respectivamente, durante un periodo de 10horas. Determine: a) La ecuación de distribución de temperatura en el interior de la capa plana b) La pérdida de calor a través del techo, en kW c) El costo de esa pérdida de calor, si el costo de la electricidad es 0,24soles/kWh.
15. En un cilindro sólido de acero con radio exterior R, con generación interna de calor (egen), la ecuación de distribución radial de temperaturas está dada es:
2 = + 4 [1 − ( )2 ]
Donde T: es el valor de la temperatura en la posición radial r To: es el valor de la temperatura en el radio exterior R
Considere para el cilindro: k=43W/m.K, diámetro 50mm y egen=0,5MW/m3, mantiene su superficie exterior a 120°C. Se pide: a) ¿Cuál será el valor de la temperatura cuando r= 15mm? b) ¿Cuál será el valor de la te mperatura máxima en el cilindro? 16. un recipiente esférico de acero (k=20W/m.°C) de 5mm de espesor, contiene liquido cuya temperatura debe ser mantenida a 100°C para el cual el recipiente generará una cierta cantidad de calor necesario. Calcular: a) El calor generado por el tanque, en W/m3 b) El calor perdido al ambiente, en W. Datos: r1=0,80m, h2=5W/m2.°C y T∞ = 20°C
17. Un cono truncado sólido de sección circular cuyo diámetro varía e n función de la coordenada X según la función: D=X 3/2 mantiene su cara izquierda ubicada en X=X 1 a la temperatura T1, mientras que la cara derecha ubicada en X= X2 se encuentra a la temperatura T2 (ver figura 2) La pared lateral del cono se halla perfectamente aislada. a) Obtenga una expresión para la variación de la temperatura en el cono (4ptos) b) Determine el valor de la temperatura en la sección transversal ubicada en el centro del cono si este es de aleación de aluminio. (3ptos) (k=177W/m.K) y X1=0,10m X2=0,50m T1=150°C y T2= 50°C
Figura 1
Figura 2
MSc. Guillermo Rengifo
