1ra PRACTICA CALIFICADA OPERACIONES UNITARIAS 2015 I

PROBLEMAS PROPUESTOS PARA CASA

PROBLEMA 1. El muro de una cámara frigorífica de conservación de productos congelados consta de:

Revoco de cemento de 2 cm de espesor (k = 0,8 kcal/h·m°C) Ladrillo macizo de 1 pie (k = 0,6 kcal/ h·m°C) Corcho expandido (k = 0,05 kcal/ h·m°C) Ladrillo hueco de 7 cm de espesor (k = 1,1 kcal/ h·m°C) Revoco de cemento de 2 cm de espesor (k = 0,8 kcal/ h·m°C)

La temperatura del aire interior de la cámara es – 25°C y la del aire exterior 30°C. Si las

pérdidas de calor del muro de la cámara han de ser inferiores a 10 kcal/h·m2, determinar:

A. El coeficiente global de transmisión de calor.B. El espesor de aislamiento (corcho) que debe colocarse.C. La distribución de temperaturas en el muro.

Los coeficientes de película exterior e interior son 20 y 12 kcal/h m2 ºCrespectivamente.

PROBLEMA 2. Por el interior de una tubería de acero, de 17 cm de diámetro exterior y 15 cm de diámetro interior (conductividad térmica 15 kcal/h·m°C), circula vapor

saturado a 60 kgf/cm2 de presión (T = 274°C) atravesando un local que se encuentra a 21 °C. Los coeficientes de película exterior e interior son 10 y 2.000

kcal/h·m2°Crespectivamente. Calcular:

A. Flujo de calor por unidad de longitud.B. Espesor de aislante (lana de roca de conductividad térmica 0,048 kcal/h·mºC)

necesario para reducir el flujo de calor a la tercera parte.C. Espesor de aislante necesario para reducir la temperatura superficial exterior

hasta un máximo de 50ºC.

PROBLEMA 3. Considérese un muro compuesto por dos capas cuyas características son

las siguientes: Capa 1: espesor 0.4 m, conductividad: k1 = (0.9 + 0.006 T) W / m· ° K

Capa 2: espesor 0.05 m, conductividad: k2 = 0.04 W / m· °K

Y sometido a un flujo solar en la cara exterior de 300 W/m², esta cara se encuentra en contacto con aire a 40°C (Coeficiente convectivo exterior 10 W/m²K). La cara interior se encuentra en contacto con aire a 20°C (Coeficiente convectivo interior 5 W/m²K). Calcular:

A. Flujo de calor por unidad de área que atraviesa el muro.B. Temperaturas interna y externa entre las dos capas.

PROBLEMA 4. Una tubería de acero de 36 cm de diámetro exterior, 34 cm de diámetro interior y conductividad térmica 40 kcal/h·mºC, transporta fueloil a 50 ºC a través de un local que se encuentra a 10 ºC. Con objeto de mantener constante la temperatura del fueloil, se rodea la tubería con una resistencia eléctrica asimilable a una capa de

1 cm de material de conductividad térmica 200 kcal/h·mºC, y una generación uniforme de calor G. Calcular:

A. Valor mínimo de G en kcal/h m3 para que la pérdida de calor del fuel sea nula. B. Distribución de temperatura en la tubería y en la resistencia.

DATOS: Los coef. de película exterior e interior de la película son 15 y 45 kcal/h m2 - °C

PROBLEMA 5. El elemento combustible de un reactor nuclear está formado por placas de 10 cm de espesor (k = 20 W/m·K) recubiertas de placas de aluminio de 5 cm ( k = 150 W/m·K). En su cara exterior el aluminio se encuentra a una temperatura impuesta de 300 ºC.

A. Calcular la generación interna (W/m3) que puede haber en el elemento combustible si la temperatura máxima de las placas de aluminio no puede sobrepasar los 450 ºC.

B. Calcular la máxima temperatura en el elemento combustible.

PROPBLEMA 6. Aire caliente a 120ºC procedente de un horno, se conduce a un secadero a través de una nave que se encuentra a una temperatura ambiente de 0ºC. El caudal másico de aire es 0,05 kg/s y circula por el interior de un conducto horizontal metálico de 0,15 m de diámetro. Suponiendo despreciable el intercambio radiante, calcular:

a) La temperatura del aire después de recorrer 10 m.

b) El espesor de aislamiento (k = 0,04 W/m·K) que reduce las pérdidas de calor

al 50%

PROBLEMA 7. Se expone una pared plana a una temperatura ambiente de 38 °C. La pared está cubierta con una capa de aislante de 2.5 cm de grueso cuya conductividad térmica es de 1.4 W/m °C, y la temperatura de la pared en el interior del aislante es de 315 °C. La pared pierde calor en el ambiente por convección. Calcule el valor del coeficiente de la transferencia de calor por convección que debe ser mantenido en la superficie exterior del aislante para asegurar que la temperatura de la superficie exterior no excede 41 °C.

PROBLEMA 8. Una placa de acero de 5 plg que tiene una conductividad térmica de Btu/h .pie. °F es expuesta a un flujo de calor radiante de 1 500 Btu /h pie en un espacio vacío donde la transferencia de calor por convección es despreciable. Suponiendo que la temperatura de la superficie del acero expuesta a la energía irradiada es mantenida a 100 °F, (Cuál será la otra temperatura de la superficie si toda la energía que llega a la placa es transferida por conducción a través de ella?

PROBLEMA 9. En el Ártico un conducto de 50 cm de diámetro lleva petróleo caliente a una temperatura de 30 °C y está expuesto a una temperatura exterior de 20 °C. El conducto está rodeado de un aislante en polvo de 5 cm de grueso y tiene una conductividad térmica de 7 mW/m - °C. El coeficiente de transferencia de calor por convección en el exterior del conducto es de 12 W/m2 - °C. Estímese la pérdida de calor del conducto por metro de longitud.

PROBLEMA 10. Determine la transferencia de calor por unidad de área a través de la pared compuesta que se esquematiza. Suponga un flujo de calor unídimensional

ka = 175 W / m -°CkB = 35kC = 60kD = 80kB = AD,

2.5 7.5 5.0 cm

PROBLEMA 11. Un extremo de una varilla metálica aislada se mantiene a 100° C, y el otro se mantiene a 0° C en contacto con una mezcla de hielo-agua. La varilla tiene 40 cm de longitud y un área transversal de 0,75 cm2. El calor conducido por la varilla funde 3 g de hielo en 5 minutos. Calcular: a) el gradiente térmico a lo largo de la varilla, considerando que este es uniforme, b) la cantidad de calor conducida por la varilla, c) la conductividad térmica del metal. d) Si el extremo que está a 100° C está en contacto con vapor ¿qué cantidad de vapor condensa en los 5 minutos señalados?

Dato: q = dQ/dt = -kAdT/dx y Q = m c dT

PROBLEMA 12. Una ventana térmica de 6 m2 se construye con dos capas de vidrio, cada una de 4 mm de espesor, separadas por un espacio de aire de 5 mm. Si la parte interna está a 25° C y la externa a 0° C, calcular la pérdida de calor a través de la ventana.

PROBLEMA 13. La ventana posterior de un automóvil se desempaña mediante el paso de aire caliente sobre su superficie interna.

a) Calcular las temperaturas de las superficies interna y externa de una ventana de vidrio de 4 mm de espesor, siendo la temperatura del aire caliente T∞, int = 40 °C y su coeficiente de convección hint = 30 W/m2·K y la temperatura del aire exterior T∞ ext = -10 °C y su coeficiente de convección hext = 65 W/m2·K.

b) Evalúe cualitativamente la influencia de T∞ext y hext sobre las temperaturas.

Datos: kvidrio (a 300 °K) = 1,4 W/m·K.

PROBLEMA 14. En el sistema mostrado en la figura se produce una conducción de régimen estacionario unidimensional sin generación de calor. La conductividad térmica es 25 W/m·K y el espesor L es 0,5 m.

Determine las cantidades desconocidas para cada caso de la tabla siguiente y dibuje la distribución de temperatura indicando la dirección del flujo de calor.

PROBLEMA 15. Un chip cuadrado isotérmico de lado 5 mm está montado en un sustrato de manera que sus superficies laterales e inferior están bien aisladas, mientras que la superficie frontal se expone a la corriente de un fluido refrigerante a 15 ºC. La

temperatura del chip no debe sobrepasar los 85 ºC. Si el fluido refrigerante es aire (h = 200 W/m2·K), ¿cuál es la potencia máxima admisible del chip? Si el fluido refrigerante es un líquido dieléctrico (h = 3.000 W/m2·K), ¿cuál es la potencia máxima admisible del chip? Solución: 0,35 W y 5,25 W.