Problema 2.1

Se tiene una pared plana simple de madera de roble, cuyo espesor es de 4 pulgadas. Y sus superficies interior y exterior se encuentran a 68°F, y -2°F respectivamente. Determine:

a) El flujo de calor a través de una sección de 20 pies2.

b) Ahora considerando un valor convectivo de transferencia de calor en las paredes internes y externas de 3 BTU/hr-pie2-°F y 20 BTU/hr-pie2-°F, respectivamente y observando que para este caso los 68°F y -2°F son las temperaturas del aire ambiente interior y exterior, determine el flujo de calor a través de la sección de 20 pies2 y la temperatura en las superficies interna y externa de la pared.

Solución:

Problema 2.2

Una pared de cobre puro de 1cm de espesor, la cual esta expuesta por una de sus superficies a vapor de agua condensándose, con un coeficiente de convección hc1=10000 W/m2 °K, a una temperatura de 473.15°K. La otra superficie está en contacto con aire ambiente, con un coeficiente hc2=5 W/m °K, a una temperatura de 298.15°K.

Determine:

a) El calor, por unidad de área, transferido a través de la placa.

b) Las temperaturas en ambas superficies de la pared.

Solución:

Problema 2.3

Del arreglo del ejemplo (2-10), determine el incremento en el flujo de calor por unidad de área de superficie de transferencia. (En porciento), a través de la pared compuesta debido a la presencia de los tornillos.

Solución:

Problema 2.4

Determine el flujo de calor para una sección de la pared compuesta mostrada en la figura siguiente, de altura (Y1+y2) y de ancho (Z).

Solución:

Problema 2.5

En la holgura anular existente entre el hilo de platino y el tubo de cuarzo del aparato para determinar el coeficiente de conductibilidad térmica de los líquidos por el método “hilo calentado”, se ha vertido el aceite para transformadores sometido a ensayo. El diámetro y la longitud del hilo de platino son D1= 0.12mm y L= 90mm; los diámetros interior y exterior del tubo de cuarzo son D2= 1mm y D= 3mm; el coeficiente de conductibilidad térmica del cuarzo es K= 1.4 W/m °K. Determine el coeficiente de conductibilidad térmica y la temperatura media del aceite para transformadores, sabiendo que cuando el flujo de calor a través de la capa anular de aceite es de 1.8W, la temperatura del hilo de platino es de 106.9°C y la temperatura de la superficie exterior del tubo de cuarzo es de 30.6°C.

Solución:

Problema 2.6

Una tubería de acero con un diámetro efectivo de 100mm y un diámetro exterior de 110mm, cuyo coeficiente de conductibilidad térmica es K1= 50W/m °K, esta forrado con dos capas de aislamiento de igual espesor (50mm). Las temperaturas, en la superficie interna y externa del sistema radial compuesto son 250°C y 50°C, respectivamente. La primera capa de aislante, aplicada a la superficie del tubo, es de un material cuyo coeficiente de conductibilidad térmica es K3= 0.12 W/m °K. Determine:

a) Las pérdidas de calor a través del sistema por unidad de longitud de tubería y la temperatura en la superficie de contacto entre las capas de aislamiento.

b) ¿Cómo variara la magnitud de las pérdidas de calor por unidad de longitud de la tubería examinada en el inciso anterior, si intercambiamos las capas de aislamiento; es decir, si aplicamos directamente a la superficie de la tubería la capa con mayor coeficiente de conductibilidad térmica? Todos los demás datos permanecen invariables. Además determine la nueva temperatura en la superficie de contacto de las capas de aislamiento.

Solución:

Problema 2.7

Una chimenea de hormigón armado con diámetro interior de 800mm y diámetro exterior de 1300mm deber ser revestida en superficie interior con tabique refractario. Determine el espesor del revestimiento y la temperatura de la superficie exterior de la chimenea, partiendo de la condición de que las pérdidas de calor por unidad de longitud de la chimenea no excedan de 2000 W/m, y de que la temperatura de la superficie interior de la pared de hormigón armado no supere los 180°C. La temperatura de la superficie interior del revestimiento es de 425°C, el coeficiente de conductividad térmica del tabique refractario es de K1= 0.50 W/m °K y el hormigón armando es de K2= 1.10 W/m °K.

Solución:

Problema 2.8

Determine las pérdidas de calor por unidad de longitud de una tubería de acero al carbón AISI-1010, con un diámetro efectivo de 150mm y un espesor de 5.5mm la cual está cubierta con una capa de aislamiento de magnesia 85%, cuyo espesor es de 60mm. En el interior de la tubería fluye agua con una temperatura media de 90°C, la tubería se coloca a la intemperie cuya temperatura es de -15°C. El coeficiente de traspaso de calor del agua a la pared del tubo es hc1=1521 W/m2 °K y el coeficiente de traspaso de calor de la superficie del aislamiento al medio ambiente es hc2= 12 W/m2 °K. También calcule las temperaturas en la superficie exterior del tubo de acero y en la superficie exterior del aislamiento.

Solución:

Problema 2.9

Una tubería de vapor, hecha de acero cuyo diámetro interior y exterior es 100mm y 110mm, respectivamente. Dicha tubería se cubre con un aislante que tiene una conductividad térmica de 1 W/m °K. Si el coeficiente convectivo de transferencia de calor entre la superficie del aislante y el aire ambiente que lo rodea es de 8 W/m2 °K. Determine:

a) El radio critico de aislamiento.

b) Ahora suponga que la temperatura del vapor es de 200°C y que la temperatura del aire ambiente es de 20°C. Permita que el radio de aislamiento varié y trace una grafica “Radio de aislamiento” & “Perdida de calor” y “Resistencia total”, observando el radio critico de aislamiento. Use los valores para el radio de aislamiento (en mm) de: 60, 80, 100, 120, 125, 150 y 200.

Solución:

Problema 2.10

Una esfera hueca de aluminio puro, con un diámetro interior de 100mm y un diámetro exterior de 300mm, tiene una temperatura en su superficie interior de 300°C y una temperatura en su superficie exterior de 100°C. Determine:

a) La temperatura en un punto que se encuentra a un 25% de la distancia entre la superficie interior y exterior.

b) El flujo de calor a través de la esfera.

Solución: