Asignatura “Operaciones Industriales II” ; Carrera de Ingeniería Industrial; Facultad de Ciencias y Tecnología Universidad Mayor de San Simón, Docente: Gonzalo Alfaro Denus Ph.D. Auxiliar: Ing. Richard Ariel Villarroel Camacho y Est. Mirlia Evelyn Cruz Burgoa
TRABAJO PRÁCTICO: Ejercicios que deben ser resueltos en el cuaderno de ejercicios. Practica Nro. 1 de Operaciones Industriales II 1‐
Indique los modos de transferencia de calor que actúan entre el aire ambiente externo y el aire al interior de una congeladora en la que hace instantes se introdujo una manzana, además analice las resistencias térmicas relacionadas.
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En las minas de Huanuni se tiene una pared de cobre (k= 375 W/m k) de 40 cm de espesor, en la
h 10 000 000 W/m W/m2 2 k k. superficie interior vapor de agua se condensa a una temperatura de 200 h La otra superficie está en contacto con aire ambiente
a una temperatura de 25 h
5 W/m2 k.
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a)
Calcule el calor por unidad de área transferido a través de la placa.
b)
Determine las temperaturas en ambas superficies de la pared.
Una pared típica de una casa de una zona fría se construye como se ilustra en la figura. Al exterior, una pared de ladrillo común (k= 0.69 W/m ) de 8 cm de espesor, al cual le sigue una capa de yeso (k= 0. 96 W/m ) de 1,9cm de espesor. Luego se coloca, en cada 40,6cm un travesaño de madera de sección 4.13cm x 1,9cm (k= 0.1 W/m ) entre los travesaños se coloca un material aislante (k= 0.04 W/m ) de 9,21cm de espesor. Finalmente se cubre el aislante y los travesaños, con 1,9cm de un material que hace de cubierta (k= 0.48 W/m ). Por fuera del ladrillo esta el aire ambiente 2 externo, donde el coeficiente de transferencia de calor es 15 W/m y en el lado del aire interior 2
de la vivienda el coeficiente de transferencia de calor puede considerarse igual a 7.5 W/m . Calcule el coeficiente global de transferencia de calor y la resistencia térmica total de la pared.
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Los gases calientes de combustión de un horno se separan del aire ambiental y sus alrededores o recinto mediante una pared de ladrillos de 0.15m de espesor (donde tanto el aire ambiental y las paredes del recinto están a 25). El ladrillo tiene una conductividad térmica de 1.2 W/m K y una emisividad superficial de 0.8. se mide la temperatura de la superficie externa de la pared de ladrillo y es 100, en condiciones de estado estable. La transferencia de calor por convección libre al aire contiguo a la superficie de la pared de ladrillo se caracteriza por un coeficiente de convección de 20 2
W/m K. ¿Cuál es la temperatura de la superficie interior de la pared de ladrillo, o sea, de la superficie en contacto con los gases de combustión?
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Cuando el frio abraza a la ciudad de Paris un buen sistema de calefacción es indispensable en cada hogar, ¿Cuál debe ser la potencia mínima de un sistema de calefacción para compensar las pérdidas 2
de calor? De un edificio de (20 x 20) m en planta y 5 pisos de 3m de altura de cada piso. La 1
temperatura al interior del edificio es de 20 y la temperatura del exterior del edificio es de 0. el edificio tiene ventanas que significan el 30% de la superficie de cada pared lateral. Las paredes laterales son muros, desde el exterior al interior del edificio, de ladrillo (k= 0.6 Kcal/m h) de espesor 1/2pie, seguido de lana de vidrio (k= 0.03 Kcal/m h ) de espesor 5cm, luego ladrillo de espesor 1/2piey finalmente planchado con yeso (k= 0.42 Kcal/m h ) de 2cm de espesor. Las ventanas están constituidas por láminas de vidrio de 6mm de espesor(k= 0.66 Kcal/m h ). 2
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Considere como coeficiente de transferencia de calor igual a 7 Kcal/h m y 20 Kcal/h m , en el interior y en el exterior del edificio, respectivamente. Así mismo considere un coeficiente global de 2
transmisión de calor para el techo igual a 1.2 Kcal/h m y que la perdida de calor por el piso al 2
suelo es igual a 10 Kcal/m h.
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El verano pasado en la habitación de Crispín, la temperatura de la pared interior se podía considerar constante e igual a 27 y en el invierno la temperatura de14. En promedio, la temperatura de Crispín permite considerar que la temperatura de la superficie de su piel está a 32 y también el aire ambiente se considera constante a 20 en todo tiempo. En estas condiciones considere que existe un coeficiente de transferencia de calor del cuerpo de Crispín al 2
aire igual a2 W/m K y la emisividad de su cuerpo a 0.9. estime la perdida de energía del cuerpo de Crispín en verano y en invierno, además comentar el resultado.
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El comportamiento de un congelador consiste en una cavidad cúbica que tiene 2m de lado, suponga que el piso está perfectamente aislado. ¿Cuál es el espesor mínimo de aislante de espuma de poliuretano (k= 0.03 W/m K) que debe aplicarse en las paredes superior y laterales para asegurar una carga de calor menos de 500W, cuando las superficies interior y exterior del aislante están a ‐ 10 y 35, respectivamente? Además analice cuales pueden ser las fuentes de error de tales cálculos en la realidad.
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En estado estacionario, aire caliente fluye a 0.05 Kg/s por un ducto de lámina metálica no aislada de 5m de largo y un diámetro de 0.15m. Considere que el aire caliente fluye a una temperatura de entrada y salida constante de 77. Considere también que el coeficiente de transferencia de calor entre la superficie externa del ducto y el aire ambiente (que está a 0) es uniforme e igual a 6 2
W/m K. Estime mediante el cálculo la temperatura de la superficie interna del ducto.
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Los aislantes se utilizan para disminuir o evitar las pérdidas de calor y ahorrar energía: a)
Calcule el radio critico de aislamiento de asbesto (k= 0.17 W/m ) para aislar un tubo que está
2 expuesto al aire a 20, con h= 3 W/m .
b)
Determine la pérdida de calor desde el tubo que tiene 5cm de diámetro externo y cuya
temperatura de su superficie externa es 200: cuando no está aislado y cuando está aislado con el calculado radio crítico del asbesto. c)
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Saque una conclusión de los resultados. Por una tubería de plástico k = 0,5 W/m°K circula un fluido de modo que el coeficiente de
transferencia de calor por convección, fluido‐pared es h=300 W/m2°K. La temperatura media del fluido es 100°C. La tubería tiene un diámetro interior Di = 3 cm, y un diámetro exterior De = 4 cm. Si 2
la cantidad de calor que se transfiere es de 500 W/m, calcular: a) La temperatura de la superficie exterior de la tubería b)El coeficiente de transferencia térmica global, tomando como referencia la superficie exterior de latubería.
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¿Cuál es el espesor q se requiere de una pared de mampostería que tiene una conductividad
térmica de 0.75W/m k si la velocidad del calor será 80% de la velocidad del calor a través de una pared de estructura compuesta que tiene una conductividad térmica de 0.25W/m k y un espesor de 100mm? Ambas paredes están sujetas a la misma diferencia de temperatura superficial.
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Usted ha experimentado el enfriamiento por convección si alguna vez sacó la mano por la
ventana de un vehículo en movimiento ó si la sumergió en una corriente de agua. Si la superficie de la mano se considera a una temperatura de 30, determinar el flujo de calor por convección para a) una velocidad del vehículo de 35m/h en el aire a ‐5 con un coeficiente de convección de 2
40W/m k y b) una velocidad de 0.2m/sen una corriente de agua a 10 con un coeficiente de 2
convección de 900W/m k. ¿En cuál de condición se sentirá mas frio? Compare estos resultados con 2
una pérdida de calor de aproximadamente 30W/m en condiciones ambientales.
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Una placa de acero de 1m de largo (K= 50 W/m k)esta ben aislada en sus lados, mientras que la
superficie superior esta a 100 la superficie inferior se enfría por convección mediante un fluido a 20. En condiciones de estado estable, un termopar en el punto medio de la placa revela una temperatura de 85. Determine el valor del coeficiente de transferencia de calor por convección en la superficie inferior.
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Un contenedor metálico esférico de pared delgada se utiliza para almacenar nitrógeno líquido a
77K. El contenedor tiene un diámetro de 0.5m y esta cubierta de un aislante reflector al vacío compuesto de polvo de dióxido de silicio (K= 0.0017 W/m k) con un espesor de 25mm y la superficie esterna se expone al aire ambiente a 300k, se sabe que el coeficiente de convección del aire es 20 2
W/m k. El contenedor tiene un orificio pequeño de tal manera que la entalpia de vaporización y la 5
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densidad del nitrógeno son 2x10 J/Kg y 804 Kg/m respectivamente. Calcule la transferencia de calor al nitrógeno líquido y la velocidad a la que se evapora el nitrógeno líquido.
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Bolas esféricas de 0.6cm de diámetro caen a una velocidad de 2m/s en un depósito de agua.
Determinar el coeficiente de transferencia de calor si las bolas se consideran totalmente a 100 y el agua a 32. La correlación empírica para el coeficiente de transferencia de calor es: 1/2
Nu= 2 + (0.4 Re
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+ 0.06 Re
2/3
0.4
) Pr
1/4
(µ/µs)
En un sistema de enfriamiento entra etilen‐glicol con una velocidad de 5m/s a un tubo de cobre
estirado en frio de 5m de longitud y 100mm de diámetro ¿Cuál es la rapidez de transferencia de calor si a temperatura media volumétrica es 20 y la pared del tubo se mantiene a 100? Las 5
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propiedades del etilen‐glicol a 20: v= 1.92x10 m /s, k= 0.249W/m k, y a temperatura de 100: 5
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v= 0.192x10 m /s.
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