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Templado de barra de acero

En un proceso de templado, barras de acero (ρ = 7 832 kg/m3, cp = 434 J/kg · K y k = 63.9 W/m · K) se calientan en un horno a 850ºC y después se enfrían en una tina de agua a una temperatura promedio de 95ºC. La tina de agua tiene una temperatura uniforme de 40ºC y un coeficiente de transferencia de calor por convección de 450 W/m2 · K. Si las barras de acero tienen un diámetro de 50 mm y una longitud de 2 m, determine:

a) El tiempo necesario para enfriar una barra de acero de 850ºC a 95ºC en la tina de agua

b) La cantidad total de calor que una sola barra transfiere al agua durante el proceso de templado.

Respuestas: a) 253.95 s, b) 10,077.88 kJ

1. Medición de la temperatura por termopares

Se va a medir la temperatura de un flujo de gas por medio de un termopar cuya unión se puede considerar como una esfera de 1 mm de diámetro. Las propiedades de la unión son k = 35 W/m · °C, ρ = 8 500 kg/m3 y cp = 320 J/kg · °C, y el coeficiente de transferencia de calor por convección entre la unión y el gas es h = 210 W/m2 · °C. Determine:

a) Cuánto tiempo transcurrirá para que la lectura del termopar sea 99% de la diferencia inicial de temperatura.

Respuestas: a) 9.94 s

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2. Templado de barra de acero

En un proceso de templado, barras de acero (ρ = 7 832 kg/m3, cp = 434 J/kg · K y k = 63.9 W/m · K) se calientan en un horno a 850ºC y después se enfrían en una tina de agua a una temperatura promedio de 95ºC. La tina de agua tiene una temperatura uniforme de 40ºC y un coeficiente de transferencia de calor por convección de 450 W/m2 · K. Si las barras de acero tienen un diámetro de 50 mm y una longitud de 2 m, determine:

a) El tiempo necesario para enfriar una barra de acero de 850ºC a 95ºC en la tina de agua

b) La cantidad total de calor que una sola barra transfiere al agua durante el proceso de templado.

Respuestas: a) 253.95 s, b) 10,077.88 kJ

3. Cocimiento de huevos

Un huevo común se puede considerar como una esfera de 5 cm de diámetro. Inicialmente el huevo está a una temperatura uniforme de 5°C y se deja caer en agua hirviendo a 95°C. Tomando el coeficiente de transferencia de calor por convección como h = 1200 W/m2 · °C, determine:

a) Cuánto tiempo transcurrirá para que el centro del huevo llegue a los 70°C.

Respuestas: a) 14.37 min

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4. Calentamiento de placas grandes de latón en un horno

En una instalación de producción, placas grandes de latón de 4 cm de espesor que se encuentran inicialmente a una temperatura uniforme de 20°C se calientan al pasar por un horno que se mantiene a 500°C. Las placas permanecen en el horno durante un periodo de 7 min. Si el coeficiente combinado de transferencia de calor por convección y radiación como h = 120 W/m2 · °C, determine:

a) La temperatura superficial de las placas cuando salen del horno.

Respuestas: a) 279.4 ºC

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5. Enfriamiento de una flecha cilíndrica larga de acero inoxidable

Una flecha cilíndrica de 20 cm de diámetro hecha de acero inoxidable 304 sale de un horno a una temperatura uniforme de 600°C. Entonces, la flecha se deja enfriar con lentitud en una cámara ambiente a 200°C, con un coeficiente promedio de transferencia de calor de h = 80 W/m2 · °C. Determine:

a) La temperatura en el centro de la flecha 45 min después de iniciarse el proceso de enfriamiento.

b) La transferencia de calor por unidad de longitud de la flecha durante este periodo.

Respuestas: a) 364.5 ºC, b) 30,625.98 kJ

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6. Aplicación de la transferencia de calor en las ciencias forenses

Una persona es encontrada muerta a las 5 PM en una habitación cuya temperatura es de 20ºC. La temperatura del cuerpo es de 25ºC al momento de ser hallado y se estima que el coeficiente de transferencia de calor es de 8 W/m2 · °C. Mediante un cilindro de 30 cm de diámetro y 1.70 m de largo, como modelo del cuerpo, y con la ayuda del análisis de sistemas concentrados, como una aproximación a grandes rasgos, estime la hora de la muerte de esa persona.

Respuestas: a) 4:25 am

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7. Calentamiento simultáneo de 2500 esferas de acero

Bolas de acero al carbón (ρ = 7 833 kg/m3, k = 54 W/m · °C, cp = 0.465 kJ/kg · °C y α= 1.474 x 10-6 m2/s) de 8 mm de diámetro se recuecen calentándolas primero hasta 900°C en un horno y, a continuación, dejándolas enfriar con lentitud hasta 100°C en aire ambiente a 35°C. Si el coeficiente de transferencia de calor promedio es de 75 W/m2 · °C, determine:

a) La razón total de transferencia de calor de las bolas al aire ambiente.

Respuestas: a) 545.3 W

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Referencias

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

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