Discusión Unidad 1.0

5/21/2018 Discusin Unidad 1.0

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UES-FIA-EIQIA-OPU-215 Ciclo I - 2014

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DISCUSIN UNIDAD I

1. Predgase la conductividad calorfica del metano a: a) 110.4 atm y 52.8 C b) 1 atmy 50 C.

2. La pared de un horno debe estar construida por 3 capas: Ladrillo refractario de 15 cm(k=1.42), ladrillo aislante (k=0.22) y ladrillo ordinario (k=1.2 kcal/hCm); se estima quela superficie del ladrillo refractario estar a 980 C, la temperatura mxima delrefractario correspondiente a T2 es 940 C y la cifra correspondiente a T3 en estascondiciones es 140 C. Admitindose que la resistencia al paso de la corriente calorficaentre las superficies de los ladrillos sea despreciable:a. Calcular el espesor de la capa de ladrillo aislante.b. Si el ladrillo ordinario tiene 23 cm de espesor, calcular su temperatura exterior.

3. Un horno cilndrico vertical de 22 pies de dimetro, est envuelto en la parte superiorpor un domo hemisfrico fabricado con ladrillo al cromo de 32 %, de 8 plg de grueso.Derive una expresin para la conduccin del calor a travs del domo. Cuando el interior yel exterior del domo hemisfrico se mantienen a 1600 y 300 F, respectivamente cul

es la prdida de calor por pie2 de superficie interna del domo? cmo se compara laprdida total de calor por el domo con la prdida total de calor a travs de un techoplano estructuralmente soportado y del mismo material que se exponga a la mismadiferencia de temperaturas?

4. Un material super-aislante (k = 2 x 10-4W/m C) se usa para aislar un tanque denitrgeno lquido que es mantenido a -320 F; se requieren 85.8 BTU para vaporizarcada libra de N2a esta temperatura. Suponiendo que el tanque es una esfera que tieneun dimetro interno de 2 pies, estmese la cantidad de N2 vaporizado por da con unaislante de 1 plg de grueso y a una temperatura ambiente de 70 F. Suponga que latemperatura exterior del aislante es de 70F.

5. Una tubera de 4 plg de dimetro externo se utilizar para transportar metaleslquidos y su temperatura exterior, en condiciones de operacin, ser de 1400 F; suaislamiento, colocado en la superficie exterior de la tubera, tiene un grosor de 6 plg y suconductividad trmica es: K=0.08(1 -0.0003T); Donde K est dada en BTU/h-pie-F y Ten F.a) Cul sera el grosor de aislamiento requerido para que la temperatura exterior delaislamiento no alcance una temperatura superior de 300 F?b) Cul ser la rapidez de flujo de calor en stas condiciones?

6. Las paredes exteriores de una casa estn construidas de una capa de 4 plg deladrillo, 1/2 plg de celotex, un espacio de aire de 3 5/8 plg de grosor y una cobertura demadera de 1/4 plg. Si la superficie externa de ladrillo est a 30 F y la superficie interior

de la cobertura de madera, a 75 F, Cul es el flujo de calor? si:a) Se supone que el espacio de aire transfiere calor solamente por conduccinb) El coeficiente equivalente del espacio de aire es de 1.8 BTU/h-pie2-Fc) El espacio de aire est lleno de lana de vidrio

kladrillo = 0.38 BTUIhr-pie-F kcelotex= 0.028 BTU/hr-pie-F;kaire= 0.015 BTU/hr-pie-F kmadera= 0.12 BTU/hr-pie-F;klana = 0.025 BTU/hr-pie-F

7. La pared de un horno est hecha de dos capas de material refractario de 9 deespesor cada una. Las temperaturas superficiales de la capa A (del lado del horno) y dela capa B (del lado exterior) son de 2000 F y 200 F, respectivamente. Para la capa Ase tiene kA = 2.44 0.0006T y para la capa B, kB= 0.06 + 0.0009T, donde T es latemperatura media de la capa, en F y k viene dado en BTU/hr-pie-F. Determinar:a) El flujo de calor a travs de las dos capas, en BTU/hr-pie2.b) La temperatura en la interfase entre las capas.


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c) El flujo de calor a travs de la pared si se intercambian las capas

8. Dos capas de pino amarillo, cada una de 1 de espesor, se mantienen firmementeunidas por medio de muchos pequeos clavos de acero suave de 2 de longitud, que seextienden a travs de la madera, quedando sus extremos al ras de las superficiesexteriores. El rea transversal total de los clavos es el 1% del rea transversal total a

travs de la cual viaja el calor. Calclese: a) La rapidez de transmisin de calor enBTU/hr-pie2para temperaturas de 90 C y 70 C en las dos superficies expuestas y b) Laconductancia total en BTU/hr-pie-F.

9. Un tubo de 2 cdula 40, de un proceso de refrigeracin cubierto con 1/2 plg deKapok, conduce salmuera con 25 % de NaCl a 0 F y con un gasto de 30000 lb/h. Lasuperficie externa del Kapok deber mantenerse a 90 F. Calcule la transferencia de calorhacia el tubo y el aumento de temperatura del flujo en 60 pies de longitud del tubo.

10.A travs de una pieza de chamota se transmite calor, en rgimen permanente. Lapieza tiene un espesor de 60 cm. La cara del lado mayor de la pieza (17.5-12.5 cm) sehalla a una temperatura de 1200 C y la cara opuesta (10.7-7.5 cm) est a 120 C.

Calcular la velocidad a que el calor se transmite por la pieza, supuesto que todas lasdems caras de la misma estuvieran perfectamente aisladas. La conductividad calorficade la pieza vara con la temperatura segn los datos siguientes:

T(C) 200 600 1000 1400k(Kcal/h m C) 0.84 1.27 1.42 11.58

11.Una tubera de 2 plg cdula 40 de acero, transporta vapor de agua a 60 psi a travsde un laboratorio que tiene 60 pies de largo. La tubera es aislada con una capa demagnesia al 85 % que mide 1.5 plg de espesor, cuyo costo es de 53 ctvs por pie lineal.Determinar el tiempo que debe permanecer en servicio la lnea de vapor para justificar elcosto del aislante si el costo de calentamiento del vapor es de 17 ctvs por cada 105BTU.El h = 5 BTU/hr- pie2en el exterior y la temperatura ambiente es de 70 F.

12.La pared de un horno, que consta de 0.25 m de ladrillo refractario, 0.2 m de caoln yuna capa externa de tabique (del usado en la construccin) de 0.1 m, expuesta al gas delhorno, a una temperatura de 1097 C, con aire de 27 C adyacente a la pared exteriorcon 115 y 23 W/m2K respectivamente. Determine la prdida de calor y la temperaturade la superficie externa de la pared en estas condiciones. Si la temperatura exterior deltabique de construccin no debe exceder los 52 C. Calcular la proporcin en que debeajustarse el grosor del caoln para satisfacer este requerimiento.

13.Un cono truncado de 30 cm de alto est hecho de aluminio. El dimetro de la paredsuperior es 7.5 cm y el de la base es de 12.5 cm. La superficie inferior se mantiene a 93C y la superior a 540 C. Si la superficie lateral del mismo se encuentra aislado, calcular

la rapidez de transferencia de calor en Watts.14.Un colchn de asbesto, de seccin transversal cuadrada mide 4 plg por lado en suextremo ms grande; los lados decrecen linealmente hasta 2 en su extremo pequeo.La pieza tiene 6 de altura y se mantienen las temperaturas en los extremos grande ypequeo a 800 F y l50 F, respectivamente. Si se supone conduccin unidimensional decalor y se desprecian las prdidas convectivas de los lados cul es la razn deconduccin de calor a travs del asbesto?

15.Un lado de un bloque de cobre de 5 cm de espesor se mantiene a 260 C. El otrolado est cubierto con una capa de fibra de vidrio de 2.5 cm de espesor. Se mantiene elexterior de la fibra de vidrio a 38 C y el flujo de calor total a travs de la combinacin decobre y fibra de vidrio es 44 KW cul es el rea de la placa?


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16.Se tiene una tubera estndar de Acero la cual se ha cubierto con un aislante cuyaconductividad trmica es de 0.102 Btu//h-pie-F y la longitud de la misma es de 100pies. A travs de la tubera se transporta agua a una temperatura de 10 F y latemperatura del medio ambiente que rodea a la tubera es de -10 F por lo que se harequerido el aislamiento. Los coeficientes de transferencia de calor por conveccin,interno y externo, son de 0.1106 y 0.73 Btu/h-pie2-F respectivamente. Determine si

realmente conviene ms el aislamiento que dejar la tubera desnuda, asumiendo que elradio externo del aislante es igual a 1.35 veces el radio interno de la tubera y que latemperatura de la pared externa del aislante es igual a -8 F.

17.En el interior de una tubera de acero de 2.5 cm de dimetro interno fluye agua. Elespesor de pared es de 2 mm y el coeficiente de conveccin en el interior es de 500W/m2-C y 12 W/m2-C en el exterior. La misma tubera se recubre con una capa deasbesto mientras contina en el mismo ambiente convectivo. Calcule el radio crtico deaislamiento y determine si aumentar o disminuir la transferencia de calor si se agregaun espesor de aislamiento de 0.5 mm y de l0 mm.

18.Un alambre de 1 mm de dimetro se mantiene a una temperatura de 400 C y seexpone un ambiente convectivo de 40 C con h = 150 W/m2-C. Calcule la conductividadtrmica que hara que un espesor de aislamiento de 0.2 mm produzca el radio crtico ydetermine adems la cantidad de este aislante que se debe agregar para reducir 75 % latransferencia de calor que producira el alambre desnudo.

19.Una aleta rectangular recta tiene una longitud de 2 cm y un espesor de 1.5 mm. Laconductividad trmica es de 55 W/m2-C y se expone a un ambiente de conveccin de 20C y h = 500 W/m2-C. Calcule la prdida de calor mxima posible para una temperaturade base de 200 C y adems determine cual es la prdida de calor real.

20.Una aleta de aluminio se encuentra adherida a un transistor que genera calor a unavelocidad de 300 mW. La aleta tiene un rea de superficie total de 9 cm2y est expuesta

al aire a 27 C. La conductancia de contacto entre el transistor y la aleta es 0.9 x 10-4

m2C/W y rea de contacto es de 0.5 cm2. Evale la temperatura del transistorsuponiendo que la aleta tiene una temperatura uniforme.

21.Un tubo de acero de 1 de dimetro externo mantiene la superficie de su paredexterior a 250F. Se propone aumentar la transferencia de calor por medio de la adicinde aletas de 3/32 plg de grosor y 3/4 plg de longitud, a la superficie exterior del tubo.Comprese el aumento en la transferencia de calor lograda agregando 12 aletaslongitudinales rectas, o circulares cuya rea total es igual a las 12 aletas longitudinales.El aire circundante se encuentra a 80 F y el coeficiente de transferencia de calorconvectivo es de 6 Btu/h-pie2-F.

22.Se va a transferir calor del agua al aire a travs de una pared de aluminio. Sepropone agregar aletas rectangulares de 0.05 plg de grueso y plg de longitud,

espaciadas 0.08 plg a la superficie del aluminio para ayudar a la transferencia de calor.Los coeficientes de transferencia de calor en los lados del agua y del aire, son: 3 Btu/h-pie2-F y 25 Btu/h-pie2-F, respectivamente. Evale el porcentaje de aumento detransferencia de calor si se agregan estas aletas (a) del lado del aire, (b) del lado delagua, (e) a ambos lados. Qu conclusiones se pueden obtener?

23.Una varilla cilndrica de 3 cm de dimetro est insertada parcialmente en un horno yuno de sus extremos est expuesto al aire circundante que est a 300 K. Lastemperaturas en dos de sus puntos separados 7.6 cm son de 399 K y 365 K. Si elcoeficiente de transferencia de calor convectivo es 17 W/m2-K, determine laconductividad trmica del material del que est hecha la varilla.


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24.Un tubo de 2.5 cm de dimetro tiene aletas circunferenciales con perfil rectangular,colocadas a lo largo de su longitud con intervalos de 95 mm. Las aletas son de aluminio,tienen 0.8 mm de espesor y 12.5 mm de largo. La temperatura de la pared del tubo semantiene a 200C, y la temperatura ambiente es de 93 C. El coeficiente detransferencia de calor es de 110 W/m2-C. Calcule la prdida de calor del tubo por metrode longitud.

25.Un extremo de una barra de cobre muy larga se conecta con una pared que tienetemperatura de 400F, mientras que el otro extremo asoma hacia un cuarto cuyatemperatura de aire ambiente es de 70 F. Estime el calor perdido por la barra si estatiene 1/4 de plg de dimetro y el coeficiente de transferencia de calor entre su superficiey el aire que la rodea es igual a 5 Btu/h-pie2-F. Determine adems la eficiencia de aletasi su longitud fuera de 6 plg.

26.Una barra rectangular de mantequilla con 46.2 mm de espesor y temperatura de277.6 K se extrae de la nevera y se coloca en un medio ambiente de 297.1 K. (Puedeconsiderarse que los lados y el fondo de la mantequilla estn aislados por las paredes delrecipiente; por tanto, el rea expuesta al medio ambiente es la superficie plana superior

de la mantequilla). El coeficiente convectivo es constante y tiene un valor de 8.52W/m2K. Calclese la temperatura de la mantequilla en la superficie, a 25.4 mm pordebajo de la superficie, y a 46.2 mm por debajo de la superficie en el fondo aislado,despus de una exposicin de 5 hr.

27.Un cilindro de aluminio se calienta al principio de tal manera que tenga unatemperatura uniforme de 400 F. Despus se sumerge en un bao grande que semantiene a 200 F, donde h=100 Btu/hrpie2F. El cilindro tiene un dimetro de 2 plg ylongitud de 4 plg. Calclese la temperatura del centro despus de 1 min. Las propiedadesfisicas son =3.66 pie2/h, k=120 Btu/h pie F.

28.Una lmina de cobre muy grande se encuentra inicialmente a una temperatura de300 C. Se reduce de manera brusca la temperatura de superficie a 35 C. Cul es latemperatura a una profundidad de 7.5 cm, a 4 minutos despus que cambi latemperatura?

29.Un lingote de acero inoxidable de tipo 304, de 6 de dimetro pasando por un hornode 20 pies de longitud. La temperatura inicial del lingote es de 200 F y se le debe elevara una temperatura de 1500 F antes de poderlo trabajar. El coeficiente de transferenciade calor entre los gases del horno y la superficie del lingote es de 15 Btu/h pie 2F y losgases del horno estn a 2300 F, A qu velocidad mnima deber viajar el lingote atravs del horno para satisfacer estas condiciones?

30.Una esfera de acero limpio con dimetro de l0 cm se sumerge sbitamente en unfluido cuya temperatura es de 500 C y para el cual se tiene un coeficiente convectivo detransferencia de calor de 500 W/m2K. Qu tiempo se requiere para que el centro de laesfera alcance una temperatura de 250C? To es 20C.

31.Una lmina grande de cobre se encuentra inicialmente a una temperatura uniformede 90 C. Se disminuye sbitamente su temperatura superficial a 30 C. Calcule larapidez de transferencia de calor a travs de un plano de 7.5 cm de la superficie, 5segundos despus que se disminuy la temperatura.

32.Una esfera de vidrio de cuarzo tiene una difusividad trmica de 9.5x10 -7m2/seg, undimetro de 2.5 cm y una conductividad trmica de 1.52 W/m-C. La esfera estinicialmente a una temperatura de 25 C y se somete repentinamente a un medioconvectivo de 200 C. El coeficiente de transferencia de calor es de 110 W/m2C. Calculela temperatura en el centro y para un radio de 6.4 mm despus de 4 minutos.


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33.Suelo, cuya difusividad trmica es de 5.16x10-7m2/seg, se le aumenta de sbito sutemperatura superficial y se le mantiene a 1100 K de su valor inicial uniforme de 280 K.Determine la temperatura a una profundidad de 0.25 m, despus de haber transcurridoun perodo de 5 horas de que la superficie se encuentre en estas condiciones.

34.Una capa de hielo grande y gruesa estaba inicialmente a una temperatura uniformeigual a -20 C. Si la temperatura se eleva de repente a -1 C, calcule el tiempo necesariopara que la temperatura alcance -11 C a una profundidad de 1.5 cm. Las propiedadesdel hielo son = 57 lb/pie3, Cp = 0.46 Btu/lb, k = 1.28 Btu/h pie F, = 0.048 pie2/h.

35.Una pared de ladrillo (=0.016 pie2/h) cuyo grosor es de 1.5 pie se encuentrainicialmente a una temperatura uniforme de 80 F, qu tiempo despus de que lassuperficies de las paredes aumentan a 300 F, y 600 F, respectivamente, alcanzar latemperatura del centro de la pared los 300 F?

36.Se pueden fabricar municiones de plomo dejando caer gotas de plomo fundido enagua. Suponiendo que las gotas de plomo tienen las propiedades del plomo slido a 300C, calcule el tiempo necesario para que la temperatura del centro alcance 120 C

cuando el agua se encuentra a 100 C, con h=5000 W/m2C, d=1.5 mm.

37.Una barra de acero limpio con DE de 8 mm se encuentra a una temperatura inicial de300 C, y se sumerge en un lquido cuya temperatura es de 100 C con un coeficienteconvectivo de transferencia de calor de 100 W/m2K. Determine la temperatura en labarra despus de haber transcurrido un minuto.

38.Se desea unir dos lminas de plstico inicialmente a 70 F y de 3/4 plg de espesorentre s con pegamento que se fija a 300 F. Para calentar las lminas plsticas para quela capa de pegamento llegue a la temperatura requerida, se colocan y mantienen dosplacas de acero a 320 F prximas a las superficies plsticas. Determinar a) el tiemporequerido para que frage el pegamento y b) las temperaturas a 1/4 plg y 1/2 plg del

acero al tiempo que se logre la temperatura de fraguado del pegamento. Las propiedadesaplicables del plstico son: k=0.09 Btu/h pie F; =0.0003 pie2/h

39.Una zanahoria cuya forma se puede aproximar por un cilindro de 8 plg de longitud y plg de dimetro inicialmente est a temperatura ambiente, y luego se deja caer enagua hirviendo a presin atmosfrica. Se pueden considerar las propiedades del sistemay la zanahoria como sigue:h=350 Btu/h pie2F, k=0.28 Btu/h pie F, Cp=0.95 Btu/lb F, =64 lb/pie3; Durantecuanto tiempo debe cocinarse la zanahoria si se requiere que la temperatura mnimaalcanzada sea de 195 F?

40.Se tiene un clavo de acero inoxidable que inicialmente se encuentra a 50 F yrepentinamente se somete a un medio convectivo de 70 F, modificndose sutemperatura, se estima que su centro axial alcanza los 59.4 F en dos segundos. Luegode algn tiempo el clavo se introduce en una placa que tiene de espesor, su superficieinterna est a 158 F y la externa a 88 F, quedando 1 del clavo por fuera de la placa.Si se deja pasar suficiente tiempo la placa y clavo alcanzarn el equilibrio trmico; bajoestas condiciones, la porcin del clavo expuesta al ambiente acta como una aleta conuna eficiencia del 12 %. Asumiendo que las condiciones convectivas iniciales se hanmantenido constantes, encuentre el calor perdido a travs del clavo. Considere que eldimetro de la cabeza del clavo es de 3.

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