1 Conducción, convección y radiación

VIDEOTUTORIALES

Training Engineers Online thanks for your contribution

1. Calentamiento de una esfera de cobre

Una esfera de cobre de 10 cm de diámetro se va a calentar desde 100°C hasta una temperatura promedio de 150°C, en 30 minutos. Tomando la densidad y el calor específico promedios del cobre en este rango de temperatura como ρ = 8950 kg/m3 y cp = 0.395 kJ/kg·°C, respectivamente, determine:

  1. a) La cantidad total de calor que se transfiere a la esfera de cobre
  2. b) La razón promedio de transferencia de calor a la esfera
  3. c) El flujo promedio de calor.

Respuestas: a) 92,552.63 J, b) 51.41 W, c) 1636.7 W/m2

2. Enfriamiento de hojas de acero inoxidable

Una hoja de acero inoxidable AISI 304 sometida a calor continuo se transporta a una velocidad constante de 1 cm/s a una cámara de enfriamiento. La hoja de acero inoxidable tiene un espesor de 5 mm y 2 m de ancho. Entra y sale de la cámara a 500 K y 300 K, respectivamente. Determine:

a) La razón a la que perderá calor la hoja de acero dentro de la cámara.

Respuestas: a) 81,370 W

3. Pérdidas de calor en los ductos de calefacción de un sótano

Una sección de 5 m de largo de un sistema de calefacción de una casa pasa a través de un espacio no calentado en el sótano. La sección transversal del ducto rectangular del sistema de calefacción es de 20 cm x 25 cm.

El aire caliente entra en el ducto a 100 kPa y 60°C, a una velocidad promedio de 5 m/s. La temperatura del aire en el ducto cae hasta 54°C como resultado de la pérdida de calor hacia el espacio frío en el sótano. Determine:

a) La razón de la pérdida de calor del aire en el ducto hacia el sótano en condiciones estacionarias.

b) El costo de esta pérdida de calor por hora si la casa se calienta por medio de un calefactor de gas natural que tiene una eficiencia de 80% y el costo del gas natural en esa zona es de 1.60 dólar/therm (1 therm =100 000 Btu = 105 500 kJ).

Respuestas: a) 1,579.8 J/s, b) 0.1078 USD/h

4. Calefacción eléctrica de una casa

Considere una casa que tiene un espacio de piso de 2 000 ft2 y una altura promedio de 9 ft y que se encuentra a 5 000 ft sobre el nivel del mar en donde la presión atmosférica estándar es de 12.2 psia. Inicialmente, la casa está a una temperatura uniforme de 50°F. Ahora se enciende el calefactor eléctrico y funciona hasta que la temperatura del aire en la casa se eleva hasta un valor promedio de 70°F. Determine la cantidad de energía transferida al aire suponiendo que:

a)La casa es hermética al aire y, por lo tanto, no hay fugas de éste durante el proceso de calentamiento

b)Algo de aire se escapa por las rendijas conforme el aire caliente que está en la casa se expande a presión constante.

Determine también el costo de este calor para cada caso, si el precio de la electricidad en esa zona es de 0.075 dólar/kWh.

Respuestas: a) 3,987.54 Btu b) 5,580 Btu W, c) 0.088 USD y 0.123 USD

5. Costo de la pérdida de calor a través de un techo

El techo de un hospital, calentado eléctricamente, tiene 6 m de largo, 8 m de ancho y 0.25 m de espesor y está hecho de una capa plana de concreto cuya conductividad térmica es k = 0.8 W/m·°C. Las temperaturas de las superficies interior y exterior se miden como de 15°C y 4°C, respectivamente, durante un periodo de 10 horas. Determine:

a) La razón de la pérdida de calor a través del techo esa noche

b) El costo de esa pérdida de calor a través del techo, si el costo de la electricidad es de 0.08 dólar/kWh

Respuestas: a) 1.69 kW, b) 1.35 USD

6. Conversión de unidades del SI a unidades inglesas

Un ingeniero que trabaja en el análisis de la transferencia de calor de un edificio de ladrillos, en unidades inglesas, necesita la conductividad térmica del ladrillo. Pero el único valor que puede hallar en sus manuales es 0.72 W/m · °C, lo cual está en unidades SI. Para empeorar las cosas, el ingeniero no cuenta con un factor directo de conversión entre los dos sistemas de unidades para la conductividad térmica.

¿Puede usted ayudarlo?

Respuestas: a) 0.4160 Btu/h·ft·ºF

7. 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. 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 de tensión y la corriente eléctrica que pasa por el alambre, resultando ser 60 V y 1.5 A, respectivamente.

Descartando cualquier  transferencia  de  calor  por  radiación,  determine:

a)  El  coeficiente  de transferencia de calor por convección entre la superficie exterior del alambre y el aire que se encuentra en el cuarto.

Respuestas: a) 34.85 W/m2·ºC

8. Efecto de la radiación sobre la comodidad térmica

Es una experiencia común sentir “escalofrío” en invierno y “bochorno” en el verano en nuestras casas, incluso cuando el ajuste del termostato se mantiene igual. Esto se debe al llamado “efecto de radiación”, resultante del intercambio de calor por radiación entre nuestros cuerpos y las superficies circundantes de las paredes y el techo.

Considere una persona que está parada en un cuarto mantenido a 22°C en todo momento. Se observa que las superficies interiores de las paredes, pisos y el techo de la casa se encuentran a una temperatura promedio de 10°C, en invierno, y de 25°C, en verano. Determine:

a) La razón de transferencia de calor por radiación entre esta persona y las superficies circundantes, si el área superficial expuesta y la temperatura promedio de la superficie exterior de ella son de 1.4 m y 30°C, respectivamente.

Respuestas: Invierno: 152.16 W; Verano: 40.99 W

9. Pérdida de calor de una persona

Considere una persona que está parada en un cuarto con brisa a 20°C. Determine la razón total de transferencia de calor desde esta persona, si el área superficial expuesta y la temperatura promedio de la superficie exterior de ella son de 1.6 m2 y 29°C, respectivamente, y el coeficiente de transferencia de calor por convección es de 6 W/m2·°C.

Respuestas: 168.24 W

10. Transferencia de calor entre dos placas isotérmicas

Considere la transferencia de calor en estado estacionario entre dos placas paralelas que se encuentran a las temperaturas constantes de T1 = 300 K y T2 = 200 K y están separadas una distancia L = 1 cm. Suponiendo que las superficies son negras (emisividad e = 1), determine la razón de transferencia de calor entre las placas por unidad de área superficial, suponiendo que el espacio entre ellas está:

a) Lleno con aire atmosférico

b) Vacío

c) Lleno con aislamiento de uretano

d) Lleno con superaislamiento que tiene una conductividad térmica aparente de 0.00002 W/m · °C.

Respuestas: a) 587.75 W, b) 368.55 W, c) 260 W, d) 0.2 W

11. Calentamiento de una placa por energía solar

Una placa metálica delgada está aislada en la parte posterior y expuesta a la radiación solar en la superficie del frente. La superficie expuesta de la placa tiene una absortividad de 0.6, para la radiación solar. Si la radiación solar incide sobre la placa a una rapidez de 700 W/m2 y la temperatura del aire circundante es de 25°C, determine la temperatura de la superficie de la placa cuando la pérdida de calor por convección y radiación es igual a la energía absorbida por la propia placa. Suponga que el coeficiente combinado de transferencia de calor por convección y radiación es de 50 W/m2·°C.

Respuestas: 33.4 ºC

Training Engineers Online thanks for your contribution

ReferenciasCengel, Y. A,  y Ghajar, A. J. (2011). Transferencia de calor y masa. Fundamentos y Aplicaciones.  McGraw Hill, 4ta edición.

Referencias

Cengel, Y. A,  y Ghajar, A. J. (2011). Transferencia de calor y masa. Fundamentos y Aplicaciones.  McGraw Hill, 4ta edición.

Deja un comentario