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[email protected] Pág.1 Fundamentos de Transferencia de Calor FRANK INCROPERA – FUNDAMENTOS DE TRANFERENCIA DE CALOR –CUARTA EDI- CIÓN EN ESPAÑOL – CAPITULO 1 – INTRODUCCIÓN A LA TRANFERENCIA DE CALOR PROBLEMA 1.1 Un flujo de calor de 3Kw se conduce a través de una sección de una material aislante de área de sección transversal 10 m 2 y espesor 2,5 cm. Si la temperatura de la superficie interna (caliente) es de 415°C y la conductividad térmica del material es 0,2 W/m.K. ¿Cuál es la temperatura de la su- perficie externa? SOLUCIÓN 1.1 Suposiciones 1) Conducción unidimensional en dirección x 2) Condiciones de estado estacionario 3) Propiedades Constantes Análisis Según la Ley de Fourier q cond = q x = q x " . A = −K dt dx . A = K. A. T 1 −T 2 L Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 2 Fundamentos de Transferencia de Calor Para : T 2 = T 1 − q cond . L K. A T 2 = 415°C − 3. 10 3 Wx2,5. 10 −2 m 0,2 W m. K x10m 2 = 415°C −37,5°C = 377,5°C PROBLEMA 1.2 Una pared de concreto, que tiene un área superficial de 20 m 2 y 0,30 m de espesor, separa el aire acondicionado de una habitación del aire ambiental. La temperatura de la superficie interna de la pared se mantiene a 25°C, y la conductividad térmica del concreto es 1W/m.K. a) Determine la pérdida de calor a través de la pared para temperaturas ambientes en el ran- go de -15°C a 38°C, que corresponden a extremos de invierno y verano, respectivamente. Muestre en forma gráfica sus resultados En su gráfica, también trace la pérdida de calor como función de la temperatura ambiente para materiales de la pared que tengan conductividades térmicas de 0,75 y 1,25 W/m.K. Explique la familia de curvas que obtiene. SOLUCIÓN 1.2 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 3 Fundamentos de Transferencia de Calor Suponer 1) Conducción unidimensional en dirección x 2) Condiciones de estado estacionario 3) Propiedades Constantes 4) Temperatura exterior es la del aire en el ambiente. Análisis Según la Ley de Fourier q cond = q x = q x " . A = −K dt dx . A = K. A. T 1 −T 2 L Entonces : q x = K. A L x(T 1 − T 2 ) ……… Para K = 1 W mK → q x1 = 1 W m. K � . 20m 2 0,3m . (25 − T 2 ) = 66.67(25 − T 2 ) ……. . (β) En (β) para T 2 = −15°C → q x1 = 2666.67 W para T 2 = 38°C → q x1 = −866.67 W Para K = 0,75 W mK → q x2 = 0,75 W m. K � . 20m 2 0,3m . (25 − T 2 ) = 50(25 − T 2 ) ……. . (δ) En (δ) para T 2 = −15°C → q x2 = 2000 W para T 2 = 38°C → q x2 = −650 W Para K = 1,25 W mK → q x3 = 1,25 W m. K � . 20m 2 0,3m . (25 − T 2 ) = 83,33(25 −T 2 ) ……. . (θ) En (θ) para T 2 = −15°C → q x3 = 3333.33 W para T 2 = 38°C → q x3 = −1083.33 W Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 4 Fundamentos de Transferencia de Calor PROBLEMA 1.3 Se determina que el flujo de calor a través de una tabla de madera de 50 mm de espesor, cuyas temperaturas sobre las superficies interna y externa son 40 y 20°C, respectivamente es 40 W/m 2 . ¿Cuál es la actividad térmica de la madera? SOLUCIÓN 1.3 Suposiciones: 1) Conducción unidimensional en dirección x 2) Condiciones de estado estacionario 3) Propiedades constantes Análisis Según la Ley de Fourier " . = − = . − K = q x " ∗ L T 1 −T 2 = 40 W m 2 ∗ 0.05 m 40 − 20°C = 0.10 W m°C ó 0.10 W mK La variación de temperatura en grados Celsius es igual que en grados Kelvin → ∆T(°C) = ∆T(K) PROBLEMA 1.4 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 5 Fundamentos de Transferencia de Calor Las temperaturas de la superficie interna y externa de una ventana de vidrio de 5 mm de espesor son 15 y 5°C. ¿Cuál es la pérdida de calor a través de una ventana que mide 1x3 m de lado. La conductividad térmica del vidrio es 1.4 W/m.K SOLUCIÓN 1.4 Suposiciones a) Conducción unidimensional en la dirección x b) Condiciones de estado estacionario c) Propiedades constantes Análisis Según la Ley de Fourier q x " = −K dt dx = K. T 1 − T 2 L = 1.4 w m. K ∗ (15 − 5°C) 0,005m = 2800 W m 2 Para un flux uniforme de calor q perdido = q x " . A = 2500 W m 2 ∗ 3m 2 = 8400 W Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 6 Fundamentos de Transferencia de Calor PROBLEMA 1.5 El comportamiento de un congelador consiste en una cavidad cúbica que tiene 2m de lado. Su- ponga que el fondo está perfectamente aislado. ¿Cuál es el espesor mínimo de aislante de espuma de poliuretano (K=0.0030 W/m.K) que debe aplicarse en las paredes superior y laterales para ase- gurar una carga de calor de menos de 500 W, cuando las superficies interior y exterior están a -10 y 35°C? SOLUCIÓN 1.5 Suponer: 1) Fondo perfectamente aislado 2) Flujo unidimensional sobre 5 paredes de área 4 m 2 3) Estado estacionario 4) Propiedades constantes Análisis: Según la Ley de Fourier q x = q " . A total = K. ∆T L . A total A total = 5(4m 2 ) = 20m 2 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 7 Fundamentos de Transferencia de Calor L = K. ∆T q . A total = 0.03 W m. K [35 − (−10°C)] 500 W ∗ (20m 2 ) L = 0,054 m PROBLEMA 1.6 ¿Cuál es el espesor que se requiere de una pared de mampostería que tiene una conductividad térmica de 0.75 W/m. K, si la velocidad del calor será 80% de la velocidad del calor a través de un pared de estructura compuesta que tiene una conductividad térmica de 0.25 W/m. K y un espesor de 100 mm? Ambas paredes están sujetas a la misma diferencia de temperatura superficial. SOLUCIÓN 1.6 Esquema: Suposiciones: a) Ambas paredes están sujetas a la mima variación de temperatura b) Conducción unidimensional c) Condición de estado estacionario d) Propiedades constantes Análisis: Según la ecuación: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 8 Fundamentos de Transferencia de Calor ″ = . ∆ • Como ∆ es el mismo para ambas: 1 = 2 . 1 2 × ″ 2 ″ 1 • Además: ″ 1 = 0.8 ″ 2 → 1 = 100 . 0.75/. 0.25 /. × 1 0.8 → 1 = 375 PROBLEMA 1.7 Un chip cuadrado de silicio tiene un ancho mm de lado y espesor mm. El chip se monta en sustrato de modo que sus lados y la superficie inferior quedan aislados, mientras que la superficie frontal se expone a un fluido refrigerante. Si se disipan 4 de los circuitos montados en la diferencia de temperaturas de estado estable entre las superficies inferior y frontal? SOLUCIÓN 1.7 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 9 Fundamentos de Transferencia de Calor Esquema: Suposiciones: a) Condición de estado estacionario b) Propiedades constantes c) Conducción unidimensional d) La disipación de calor es uniforme Análisis: Según la ley de Fourier, tomando el calor disipado: P = q = k. A. ∆T ∆x ; A = L 2 → ∆T = ∆x. P k. L 2 = 0.001m. 4W 150W/m. K. (0.005m) 2 = 1.1℃ PROBLEMA 1.8 Una galga para medir el flujo de calor de una superficie o a través de un material laminado emplea termopares de película delgada de cromel/alumel (tipo K) depositados sobre las superficies supe- rior e inferior de una plaquita con una conductividad térmica de 1.4 W/m.K y un espesor de 0.25 mm. Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 10 Fundamentos de Transferencia de Calor (a) Determine el flujo de calor q“ a través de la galga cuando el voltaje de salida en los conduc- tores de cobre es 350 μV. El coeficiente de Seebeck de los materiales tipo K del termopar es aproximadamente 40 μV/℃. ¿Qué precaución es necesaria al usar una galga de esta naturaleza para medir el flujo de calor a través de la estructura laminada que se muestra arriba? SOLUCIÓN 1.8 Esquema: - Material termopar tipo k (A - cromel y B - alumel) - Coeficiente Seebeck, = 40/℃ Suposiciones: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 11 Fundamentos de Transferencia de Calor a) Condiciones de estado condicionado b) Propiedades constantes c) Conducción de calor unidimensional en la galga Análisis: a) Aplicando la ley de Fourier: ″ = . ∆ ∆ → El gradiente puede ser expresado como: ∆ ∆ = ∆/ . Donde N es el número de unidades conectadas (5). → Se tiene: q ″ = 1.4W/m. K × 350 × 10 −6 V 5.40 × 10 −6 V/℃× 0.25 × 10 −3 m = 9800W/m 2 b) La mayor preocupación a tomar en cuenta con este tipo de galgas es que coincida su con- ductividad térmica con la del material en el que está instalado. Si una galga está conectada entre las láminas y si su conductividad térmica es significativamente diferente de las lámi- nas, un flujo de calor unidimensional la perturbará y la galga leerá incorrectamente. PROBLEMA 1.9 Usted ha experimentado el enfriamiento por convección si alguna vez sacó la mano por la ventana de un vehículo en movimiento o si la sumergió en una corriente de agua. Si la superficie de la mano se considera a una temperatura de 30 ℃, determine el flujo de calor por convección para (a) una velocidad del vehículo de 35 km/h en aire a -5℃ con un coeficiente de convección de y (b) una velocidad de 0.2 m/s en una corriente de agua a 10 ℃ con un coeficiente de Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 12 Fundamentos de Transferencia de Calor convección de . ¿En cuál condición se sentiría más frío? Compare estos resultados con una pérdida de calor aproximadamente en condiciones ambientales normales. SOLUCIÓN 1.9 Esquema: Suposiciones: a) Temperatura es uniforme sobre la superficie de la mano b) Coeficiente de convección es uniforme sobre la mano c) Insignificante intercambio de radiación entre la mano y sus alrededores en caso del flujo de aire Análisis: Para este calor perdido, según la ley de enfriamiento de Newton: q ″ = h(T s −T ∞ ) • Para la corriente de aire: ″ = 40/ 2 . × [30 −(−5)] = 1400 / 2 • Para la corriente de agua: ″ = 900/ 2 . × [30 − (−5)] = 1800 / 2 - La pérdida de calor de la mano en el chorro de agua es mayor que cuando está frente a una corriente de aire para la temperatura y condiciones de coeficiente de convección definidas. Por el contrario, la pérdida de calor en un ambiente normal de la habitación es de 30/ 2 que es de 400 veces menor que la pérdida ante la corriente de aire. Entonces ante el aire y las corrien- Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 13 Fundamentos de Transferencia de Calor tes de agua, la mano sentirá más frio ya que la pérdida de calor es alto que a condiciones ambien- tales. PROBLEMA 1.10 Sobre un cilindro largo, de 25 mm de diámetro con un calentador eléctrico interno, fluye aire a 40 ℃. En una serie de pruebas, se realizaron mediciones de la potencia por unidad de longitud, P´, que se requiere para mantener la temperatura superficial del cilindro a 300 ℃, a diferentes velo- cidades V de la corriente libre del aire. Lo resultados son los siguientes: Velocidad del aire, V (m/s) 1 2 4 8 12 Potencia, P´ W/m 450 658 983 1507 1963 (a) Determine el coeficiente de convección para cada velocidad, y muestre gráficamente los resultados. Suponiendo que la dependencia del coeficiente de convección con la velocidad es de la forma , determine los parámetros C y n a partir de los resultados de la parte (a). SOLUCIÓN 1.10 Esquema: Datos: (/) 1 2 4 8 12 ′ (/) 450 658 983 1507 1963 Suposiciones: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 14 Fundamentos de Transferencia de Calor a) Condición de estado estacionario. b) Temperatura uniforme sobre la superficie del cilindro. c) Intercambio de radiación insignificante entre el cilindro y los alrededores. Análisis: a) Del balance energético, la energía disipada por el calentador energético es trasferido por convección a la corriente de aire, usando la ley de enfriamiento de Newton: → ′ = ℎ()( − ∞ ) ℎ = ′ ( − ∞ ) = ′ × 0.025(300 −40℃) → ℎ = ′ 20.41 × 2 . • Para = 1/ → ℎ = 450 20.41 = 22.0 / 2 . • Para = 2/ → ℎ = 658 20.41 = 32.2 / 2 . Para los demás: (/) 1 2 4 8 12 ′ (/) 450 658 983 1507 1963 ℎ(/ 2 . ) 22.0 32.2 48.1 73.8 96.1 Gráfico: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 15 Fundamentos de Transferencia de Calor b) Para determinar los parámetros (C, n); según la ecuación: ℎ = → log ℎ = log + . log De los datos: (/) ℎ(/ 2 . ) log logℎ 1 22 0 1.342 2 32.0 0.301 1.508 4 48.1 0.602 1.682 8 73.8 0.903 1.868 12 96.1 1.079 1.983 Haciendo el uso de calculadora el Microsoft Excel se realizará la regresión obteniendo: log ℎ = 1.33 +0.59 log → = 10ˆ1.33 = 21.37 = 0.59 PROBLEMA 1.11 Un calentador de resistencia eléctrica se encapsula en un cilindro largo de 30 mm de diámetro. Cuando fluye agua con una temperatura de 25 ℃ y velocidad de 1 m/s cruzando el cilindro, la po- tencia por unidad de longitud que se requiere para mantener la superficie a una temperatura uni- forme de 90 ℃ es de 28 kW/m. Cuando fluye aire, también a 25 ℃, pero con una velocidad de 10 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 16 Fundamentos de Transferencia de Calor m/s, la potencia por unidad de longitud que se requiere para mantener la misma temperatura superficial es 400 W/m. Calcule y compare los coeficientes de convección para los flujos de agua y aire. SOLUCIÓN 1.11 Esquema: Suposiciones: a) Flujo de calor transversal al cilindro Análisis: El calor convectivo desde el cilindro por unidad de longitud de cilindro tiene la forma: ′ = ℎ(). ( − ∞ ) Entonces para el coeficiente convectivo: ℎ = ′ . × ( − ∞ ) Para cada condición: • Agua: ℎ = 28 × 10 3 / . 0.03 × (90 − 25) = 4572.92/ 2 . • Aire: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 17 Fundamentos de Transferencia de Calor ℎ = 400 / . 0.03 × (90 − 25) = 65.3/ 2 . → Por lo tanto, ℎ es aproximadamente 70 veces el calor de ℎ . PROBLEMA 1.12 Un calentador eléctrico de cartucho tiene forma cilíndrica de longitud y diámetro exterior D . En condiciones de operación normal el calentador disipa 2 kW, mientras se sumerge en un flujo de agua que está a 20 ℃ y provee un coeficiente de transferencia de calor por convección de . Sin tomar en cuenta la transferencia de calor de los extremos del calentador, determine la temperatura superficial . Si el flujo de agua cesa sin advertirlo mientras el calentador continúa operando, la superficie del calentador se expone al aire que tam- bién está a 20 ℃, pero para el que . ¿Cuál es la temperatura superficial corres- pondiente? ¿Cuáles son las consecuencias de tal evento? SOLUCIÓN 1.12 Esquema: Suposiciones: a) Condición de estado estacionario. b) Toda la energía eléctrica es transferida al fluido por convección. c) Transferencia de calor insignificante en los extremos. Análisis: Tomando: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 18 Fundamentos de Transferencia de Calor = Según la ley de enfriamiento de Newton: = = ℎ. ( − ∞ ) = ℎ. . . ( − ∞ ) Temperatura superficial = ∞ + ℎ. . . • En agua: = 20 + 2000 5000 2 . . × 0.02× 0.2 = 20 + 31.8 = 51.8℃ • En aire: = 20 + 2000 50 2 . . × 0.02 × 0.2 = 20 + 3184.7 = 3204.7℃ - Se observa que el aire es mucho menor efectivo que el agua como fluido de transferencia de calor. En consecuencia, la temperatura de cartucho es mucho más alto en el aire, tan al- to que el cartucho se derretiría. Ante el aire la temperatura del cartucho implicaría que la radiación sea significativa. PROBLEMA 1.13 Un chip cuadrado isotérmico tiene un ancho de lado y está montado en un sustrato de modo que sus superficies lateral e inferior estén bien aisladas, mientras que la superficie frontal se expone a la corriente de un fluido refrigerante a . A partir de consideraciones de con- fiabilidad, la temperatura del chip no debe exceder . Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 19 Fundamentos de Transferencia de Calor Si el fluido refrigerante es aire y el coeficiente de convección correspondiente es , ¿cuál es la potencia máxima admisible del chip? Si el fluido refrigerante es un líquido dieléctrico para el que , ‘Cuál es la potencia máxima admisible? SOLUCIÓN 1.13 Esquema: • Aire, ℎ = 200/ 2 . • Fluido dieléctrico, ℎ = 3000/ 2 . Suposiciones: a) Condición de estado estacionario b) Transferencia de calor insignificante en los lados y la base. c) El chip posee una temperatura uniforme (isotérmico). d) Transferencia de calor por radiación insignificante. Análisis: Toda energía eléctrica disipada es transferida por convección al refrigerante. Por tanto: = ; = á → = á Según la ley de enfriamiento de Newton: á = = ℎ. ( − ∞ ) • Para el aire: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 20 Fundamentos de Transferencia de Calor á = ℎ. 2 ( − ∞ ) = 200/ 2 . × (0.005) 2 × (85 − 15) = 0.35 • Para el fluido dieléctrico: á = ℎ. 2 ( − ∞ ) = 3000/ 2 . × (0.005) 2 × (85 − 15) = 5.25 PROBLEMA 1.14 Se propone el uso de la colisión de chorros de aire como medio de enfriar de manera efectiva chips lógicos de alta potencia en una computadora. Sin embargo, para que la técnica se pueda aplicar debe conocerse el coeficiente de convección asociado con el chorro que choca contra la superficie de un chip. Diseñe un experimento que sirva para determinar los coeficientes de con- vección asociados con el choque de un chorro de aire sobre un chip que mide aproximadamente 10 mm por 10 mm de lado. SOLUCIÓN 1.14 Esquema: Suposiciones: Condición de estado estacionario Un enfoque sería usar el actual sistema chip-sustrato, caso(a), para realizar las mediciones. En este caso la energía eléctrica disipada en el chip será transferida desde el chip por radicación y conduc- ción (al sustrato), así también por convección al chorro. Se tiene un balance de energía del chip: é = + + Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 21 Fundamentos de Transferencia de Calor Por tanto, = ℎ. ( − ∞ ) ; donde = 100 2 Se obtiene: ℎ = é − − ( − ∞ ) ………. (1) - Mientras que la energía eléctrica ( é ) , y las temperaturas del chorro ( ∞ ) y la superficie ( ) pueden ser medidos, las pérdidas del chip por conducción y radiación podrán ser es- timadas. A menos que las pérdidas sean insignificantes (condición poco probable), la exactitud del procedimiento puede verse comprometida por las incertidumbres asociadas a la determi- nación de las pérdidas de conducción y radiación. Para el segundo enfoque, caso(b), podría incluir la fabricación de una unidad del calentador para que se controle la conducción y la radiación, los cuales son pérdidas, además de reducirlas al mis- mo. Un bloque de 10 mm X 10 mm de cobre (~400/. ) puede ser insertada en un sustrato mal conductor ( < 0.1/. )y un calentador de parche puede ser aplicado atrás del bloque y aislado debajo. Si la conducción tanto en el sustrato y el aislamiento puede resultar insignificante, el calor se transferirá exclusivamente a través del bloque. Si la radiación fuera insignificante al aplicar un re- cubrimiento de baja emisividad ( < 0.1) a la superficie del cobre, prácticamente todo el calor se transferirá por convección al chorro. Por tanto, y podrán ser despreciadas en la ecuación (1), y la expresión se puede utilizar para determinar de manera precisa ℎ de los conocidos: ( = 100 2 ), y de los medibles: é , , ∞ . PROBLEMA 1.15 El control de temperatura para una secadora de ropa consiste en un conmutador bimetálico mon- tado sobre un calentador eléctrico unido a una almohadilla aislante instalada en la pared. Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 22 Fundamentos de Transferencia de Calor El conmutador se fija para abrirse a 70 ℃, que es la temperatura máxima del aire secado. A fin de operar la secadora a una temperatura de aire más baja, se suministra potencia suficiente al calen- tador de modo que el conmutador alcance 70 ℃ ( ) cuando la temperatura de aire sea me- nor que . Si el coeficiente de transferencia de calor por convección entre el aire y la superficie expuesta del conmutador de 30 es , ¿cuánta potencia de calentamiento se requiere cuando la temperatura deseada del aire es ? SOLUCIÓN 1.15 Esquema: Suposiciones: a) Condición de estado estacionario. b) El calentador eléctrico es aislado perfectamente por la pared secadora. c) El calentador y conmutador son isotérmicos a temperatura máxima. d) Transferencia de calor insignificante desde los lados del calentador al conmutador. e) La superficie, , de conmutador pierde calor por convección. Análisis: Definiendo como volumen de control alrededor del conmutador bimetálico que experimenta el calor de entrada del calentador y transfiere calor al aire deL secador por convección. Del balance: ̇ − ̇ = 0 é −ℎ. × ( á − ∞ ) = 0 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 23 Fundamentos de Transferencia de Calor La potencia de calentamiento: = é = ℎ. × ( á − ∞ ) = 25 2 . × 30 × 10 −6 2 (70 −50) = 15 × 10 −3 PROBLEMA 1.16 El coeficiente de trasferencia de calor por convección libre sobre una placa delgada vertical calien- te en aire quieto se determina observando el cambio en la temperatura de la placa al paso del tiempo, a medida que ésta se enfría. Suponiendo que la placa es isotérmica y que el intercambio de radiación con sus alrededores es insignificante, evalúe el coeficiente de convección en el mo- mento en que la temperatura de la placa es de 225 ℃ y que el cambio en la temperatura de la placa con el tiempo es . La temperatura del aire ambiente es de 25 ℃ y la placa mide 0.3 X 0.3 m con una masa de 3.75 kg y un calor específico de 2770 J/kg.K. SOLUCIÓN 1.16 Esquema: Suposiciones: a) Placa isotérmica y a temperatura uniforme b) Transferencia de calor por radiación insignificante. c) Pérdida de calor en los cables de suspensión insignificante Análisis: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 24 Fundamentos de Transferencia de Calor Como se ve el gráfico según la curva de enfriamiento la temperatura de la placa disminuye con el tiempo. La condición de interés es 0 . → Para una superficie de control sobre la placa, el balance energético será: ̇ − ̇ = ̇ −2ℎ. × ( − ∞ ) = . × → Donde es el área superficial de un lado de la placa, despejando ℎ: ℎ = . −2. ( − ∞ ) � � = 3.75 × 2770/. 2(0.3 × 0.3) 2 × (225 −25) × 0.022 ℎ = 6.35/ 2 . PROBLEMA 1.17 Una sonda interplanetaria esférica de 0.5 m de diámetro contiene dispositivos electrónicos que disipan 150 W. Si la superficie de la sonda tiene una emisividad de 0.8, y la sonda no recibe radia- ción de otras superficies como, por ejemplo, del Sol, ¿cuál es la temperatura de la superficie? SOLUCIÓN 1.17 Esquema: Suposiciones: a) Condición estado estacionario Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 25 Fundamentos de Transferencia de Calor b) Radiación incidente sobre la sonda insignificante Análisis: Según la conservación de energía, hay equilibrio entre la generación de energía dentro de la sonda y la emisión de la radiación desde la superficie de la sonda. Por tanto: ̇ + ̇ − ̇ = 0 ̇ − × × × 4 = 0 = � ̇ . . 2 . � 1/4 = � 150 0.8. . (0.5) 2 . 5.67 × 10 −8 / 2 . 4 � 1/4 = 254.7 PROBLEMA 1.18 Un paquete de instrumentación tiene una superficie exterior esférica de diámetro y emisividad . El paquete se coloca en una cámara de simulación espacial grande cuyas pa- redes se mantienen a 77 K. Si la operación de los componentes electrónicos se restringe el rango de temperatura , ¿cuál es el rango de disipación aceptable de potencia para el pa- quete? Muestre los resultados en forma gráfica, y también el efecto de las variaciones en la emisi- vidad al considerar valores de 0.20 y 0.30. SOLUCIÓN 1.18 Esquema: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 26 Fundamentos de Transferencia de Calor Suposiciones: a) Condición de estado estacionario. b) Temperatura en la superficie uniforme en toda ella. c) Las paredes son largas comparadas con el paquete esférico. Análisis: De un balance de energía global en el paquete, la disipación de energía interna será transferida por radiación entre el paquete y las paredes de la cámara; se tiene: = = . . . � 4 − 4 � ; = . 2 → Para la condición: = 40℃ = 0.25 = 0.25() × (0.1) 2 . 5.67 × 10 −8 / 2 . 4 × [(40 + 273) 4 − 77 4 ] 4 = 4.3 → Para la condición: = 85℃ = 0.25 = 7.3 ∴ para 40 ≤ ≤ 85℃. El estará entre 4.3W y 7.3W - Para = 0.3 Para = 40℃ = 5.1 Para = 85℃ = 8.8 - Para = 0.2 Para = 40℃ Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 27 Fundamentos de Transferencia de Calor = 3.4 Para = 85℃ = 5.8 PROBLEMA 1.19 Una superficie de de área, emisividad 0.8, y 150 ℃ de temperatura se coloca en una cáma- ra grande al vacío cuyas paredes se mantienen a 25℃. ¿Cuál es la velocidad a la que la superficie emite radiación? ¿Cuál es la velocidad neta a la que se intercambia radiación entre la superficie y las paredes de la cámara? SOLUCIÓN 1.19 Suposiciones: a) Área de las paredes cerradas es mucho menor que las paredes de la cámara. Análisis: a) La velocidad de emisión de radiaciones por la superficie está dado por: = . = . . . 4 = 0.8(0.5 2 ) 2 . 5.67 × 10 −8 / 2 . 4 [(150 +273)] 4 = 726.1 b) Para la velocidad neta a la cual la radiación es transferencia de la superficie de la paredes es: A=0.5 m 2 Ts=150°C Ɛ=0.8 Tsup=25°C Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 28 Fundamentos de Transferencia de Calor = . . . � 4 − 4 � = 0.8(0.5 2 ) × 5.67 × 10 −8 / 2 . 2 [(423) 4 − (298) 4 ] = 547 PROBLEMA 1.20 Si en la ecuación 1.9, el coeficiente de transferencia de calor por radiación puede apro- ximarse como: Donde . Deseamos evaluar la validez de esta aproximación comparando los va- lores de y para las siguientes condiciones. En cada caso represente los resultados en forma gráfica y comente la validez de la aproximación. (a) Considere una superficie de aluminio pulido o pintura negra , cuya temperatura puede exceder la de los alrededores ( en 10 a 100℃. También compare sus resultados con los valores del coeficiente asociado con la convección libre en aire , donde . Considere condiciones iniciales relacionadas con la colocación de una pieza a en un horno grande cuya temperatura de las paredes varía en el rango . De acuer- do con el terminado o recubrimiento de la superficie, la emisividad tomará los valores 0.05, 0.2 y 0.9. Para cada emisividad, elabore una gráfica del error relativo , como función de la temperatura del horno. SOLUCIÓN 1.20 Suposiciones: a) Para el coeficiente de transferencia de calor por radiación, (Ec. 1.9): ℎ ≡ . . ( + )( 2 + 2 ) Si ≈ , el coeficiente puede ser aproximado por la expresión: ℎ , = 4 � 3 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 29 Fundamentos de Transferencia de Calor Donde: � = � + 2 � • Para la condición: = 0.05 ; = + 10 (Aluminio pulido) = 25℃ = 298 = 298 +10 = 308 → Se obtiene: ℎ = 0.05 × 5.67 × 10 −8 / 2 . 4 (308 + 298)(308 2 +298 2 ) 3 = 0.315 / 2 . ℎ = 4 × 0.05 × 5.67 × 10 −8 / 2 . 4 [(308 +298)/2] 3 3 = 0.315 / 2 . Para la convección libre en aire con: = 35℃ = 308 ∞ = = 25℃ = 298 ℎ = 0.98∆ 1/3 = 0.98(308 −298) 1/3 = 2.11 / 2 . ∴ Para el rango: 10 ≤ − ≤ 100℃, con = 0.05 (aluminio pulido) y = 0.9 (pintura negra) = 25℃(298) : [308; 398] Coeficientes / 2 . () ℎ ℎ , ℎ 308 0.05 0.315 0.315 2.1 0.9 5.7 5.7 398 0.05 0.51 0.50 4.7 0.9 9.2 9.0 Para este rango de temperaturas de alrededores y superficie, los coeficientes de radiación y con- vección libre son de magnitud comparable a valores moderados de la emisividad, como > 0.2 b) Las expresiones anteriores para la radiación, ℎ y ℎ , , son usadas para el objeto con = 25℃ colocado dentro de un horno con paredes, las cuales pueden variar de 100 ℃ a 1000 ℃. El error relativo (ℎ −ℎ , )/ℎ , será independiente de la emisividad de la superficie y pue- de ser graficado en función de . Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 30 Fundamentos de Transferencia de Calor Para > 150℃, la expresión aproximada proporciona estimaciones con un error mayor a 5%. La expresión aproximada debe utilizarse con cuidado y sólo para las diferencias de 50 a 100 ℃ entre las temperaturas de la superficie y alrededores. PROBLEMA 1.21 Considere las condiciones del problema 1.13. Con transferencia de calor por convección al aire, se encuentra que la potencia máxima permisible del chip es 0.35 W. Si también se considera la trans- ferencia neta de calor por radiación de la superficie del chip a alrededores a 15℃, ¿cuál es el por- centaje de aumento en la potencia máxima permisible en el chip proporcionado por esta conside- ración? La superficie del chip tiene una emisividad de 0.9. SOLUCIÓN 1.21 Esquema: Suposiciones: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 31 Fundamentos de Transferencia de Calor a) Condición estado estacionario b) Intercambio de radiación entre la pequeña superficie y las paredes del recinto. Análisis: La transferencia desde el chip debido al intercambio de radiación neta con el entorno es: = . 2 . . ( 4 − 4 ) = 0.9(0.005) 2 × 5.67 × 10 −8 2 . 4 (358 4 − 288 4 ) 4 = 0.0122 - El porcentaje de aumento en la potencia máxima permisible será: ∆ . 100% = . 100% = 0.0122 0.35 . 100% = 3.47% PROBLEMA 1.22 Un sistema al vacío, como los que se usan para la deposición eléctrica por sublimación catódica de películas delgadas conductoras en microcircuitos, consta de una placa base sostenida por un ca- lentador eléctrico a 300 K y un recubrimiento dentro del recinto que se mantiene a 77 K mediante un circuito refrigerante de nitrógeno líquido. La placa base, aislada en el lado inferior, tiene 0.3 m de diámetro y una emisividad de 0.25. Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 32 Fundamentos de Transferencia de Calor (a) ¿Qué potencia eléctrica debe proporcionarse al calentador de la placa base? (b) ¿A qué flujo debe suministrarse el nitrógeno líquido al recubrimiento si su entalpía de va- porización es 125 k.J/kg? Para reducir el consumo de nitrógeno líquido, se propone unir una placa delgada de hoja de alu- minio a la placa base. ¿Tendrá esto el efecto que se desea? SOLUCIÓN 1.22 Esquema: Suposiciones: a) Condición de estado estacionario b) No hay pérdida de calor por debajo del calentador o lados de la placa. c) Reciento vacío grande en comparación a la placa base. d) Recinto percibe una convección casi nula (insignificante). e) El nitrógeno líquido ( 2 ) es calentado solo por el calor transferido de la cubierta (recu- brimiento). Análisis: a) De un balance de energía en la placa base: ̇ − ̇ = 0 → é − = 0 Usando la Ec.1.7 para intercambio de radiación entre la placa base y la cubierta (recubrimiento). Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 33 Fundamentos de Transferencia de Calor é = . . ( 4 − 4 ) ; = 4 . 2 Reemplazando: é = 0.25. 4 (0.3) 2 × 5.67 × 10 −8 / 2 . 4 (300 4 − 77 4 ) 4 é = 8.1 b) Para un balance de energía en el recinto, la transferencia de radiación calienta la corriente de nitrógeno líquido que causa la evaporación. ̇ − ̇ = 0 → − ̇ 2 . ℎ = 0 Donde: ℎ = = 125/ ̇ 2 = ℎ = 8.1 125 × 10 3 = 6.48 × 10 −5 / ̇ 2 = 0.233 ℎ c) Si se une una delgada placa de hoja de aluminio sobre la placa base: ,ℎ = ( ℎ / ) Donde: ℎ = 0.09 = 0.25 → ,ℎ = 8.1(0.09/0.25) = 2.9 Y la tasa de consumo de nitrógeno líquido se reducirá en: 0.25 −0.09 0.25 = 64% a 0.083/ℎ PROBLEMA 1.23 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 34 Fundamentos de Transferencia de Calor Se conecta un resistor eléctrico a una batería, como se muestra en el esquema. Después de una breve fluctuación transitoria, la resistencia toma una temperatura de estado estable casi uniforme de 95 ℃, mientras que la batería y los alambres de conexión permanecen a la temperatura am- biente de 25 ℃. No tome en cuenta la resistencia eléctrica de los alambres de conexión. (a) Considere el resistor como un sistema alrededor del cual se coloca una superficie de con- trol y se aplica la ecuación 1.11a. Determine los valores correspondientes de . Si se coloca una superficie de control alrededor del sistema entero; ¿cuáles son los valores de . (b) Si se disipa energía eléctrica de manera uniforme dentro del resistor, que es un cilindro de diámetro del resistor, que es un cilindro de diámetro y longitud , ¿cuál es la velocidad de generación de calor volumétrica, ? Sin tener en cuenta la radiación del resistor, ¿cuál es el coeficiente de convección? SOLUCIÓN 1.23 Esquema: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 35 Fundamentos de Transferencia de Calor Suposiciones: a) Condición de estado estacionario. b) Temperatura del resistor es uniforme. c) Energía eléctrica disipada en los cables insignificantes. d) El intercambio de radiación entre el resistor y alrededores es insignificante. e) La energía eléctrica es disipada uniformemente dentro del resistor. Análisis: a) Conservación de energía para un volumen de control, en un instante de tiempo: ̇ + ̇ − ̇ = ̇ Ecuación 1.11a → la energía eléctrica entregada por la batería es = . = 24. 6 = 144 • Volumen de control Resistor: ̇ = 0 ̇ = 144 ̇ = 144 ̇ = 0 → El término ̇ se debe a la conversión de energía eléctrica a térmica. El término ̇ se debe a la convección de la superficie del resistor al aire. • Volumen de control: Sistema Batería-Resistor: ̇ = 0 ̇ = 0 ̇ = 144 ̇ = 144 → El término ̇ representa la disminución de la energía química en la batería. La conversión de energía química a energía eléctrica y su subsecuente conversión a energía térmica son procesos internos del sistema los cuales no están asociados a ̇ o ̇ . El término ̇ se debe a la con- vección de la superficie del resistor al aire. Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 36 Fundamentos de Transferencia de Calor b) Del balance energético en el resistor, con un volumen de: = (. 2 /4) − ̇ = ̇ 144 = ̇ ((0.06) 2 /4) × 0.25 → ̇ = 2.04 × 10 5 / 3 c) Del balance energético en el resistor y la ley de enfriamiento de Newton, con el área: = . + 2( 2 /4) ̇ = = ℎ. ( − ∞ ) 144 = ℎ[ × 0.06 × 0.25 + 2( × 0.06 2 2 /4)]. (95 − 25)℃ 144 = ℎ[0.0471 +0.0057] 2 × (70°) ℎ = 38.96/ 2 . PROBLEMA 1.24 La variación de temperatura con la posición en una pared se muestra abajo para un tiempo espe- cífico, , durante un proceso transitorio (variante con el tiempo). ¿La pared se está calentando o enfriando? SOLUCIÓN 1.24 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 37 Fundamentos de Transferencia de Calor Esquema: Análisis: A partir de la gráfica, se ve el gradiente o distribución de temperaturas para un instante 1 , pero claramente vemos que a causa de este gradiente existirá un flujo de calor de izquierda a derecha, por tanto a medida que pasa el tiempo la pared se calienta. PROBLEMA 1.25 Una esfera sólida de diámetro m y emisividad superficial se precalienta y después se suspende en una cámara grande de vacío enfriada criogénicamente, cuyas superficies inferiores se mantienen a 80 K. ¿Cuál es la velocidad de cambio de la energía almacenada por el sólido cuando su temperatura es 600K? SOLUCIÓN 1.25 Esquema: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 38 Fundamentos de Transferencia de Calor Suposiciones: a) Propiedades constantes. b) No hay generación de energía. Análisis: Tomando a la esfera como volumen de control, se obtiene el siguiente balance de energía, para un instante: ̇ − ̇ = ̇ ; ̇ = 0 −. . ( 4 − 4 ) = ̇ ̇ = −0.3 × 5.67 × 10 −8 / 2 4 × (1) 2 (600 4 − 80 4 ) 4 ̇ = −6920 ∴ Significa que se perderá 6920 J/s PROBLEMA 1.26 Una esfera sólida de aluminio de emisividad está inicialmente a una temperatura elevada y se enfría colocándola en una cámara. Las paredes de la cámara se mantienen a una temperatura ba- ja, y se hace circular un gas frio a través de la cámara. Obtenga una ecuación que sirva para prede- cir la variación de la temperatura del aluminio con el tiempo durante el proceso de enfriamiento. No intente obtener la solución. SOLUCIÓN 1.26 Esquema: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 39 Fundamentos de Transferencia de Calor Suposiciones: a) No hay generación de energía interna. b) Propiedades constantes Análisis: Para el volumen de control en al esfera, se tiene para un instante el balance energético: ̇ − ̇ = ̇ ; ̇ = 0 0 − [ℎ. ( − ∞ ) + . . ( 4 − 4 )] = (. . . ) −ℎ. 2 ( − ∞ ) −. . 2 ( 4 − 4 ) = �. 3 6 . . � � � . . 6 . = −ℎ( − ∞ ) − . ( 4 − 4 ) ∞ < → 0 < − ∞ 4 < 4 → 0 < 4 − 4 → = −6 [ℎ( − ∞ ) +. ( 4 − 4 ) . . PROBLEMA 1.27 Una placa de aluminio de 4 mm de espesor se monta en posición horizontal, con su superficie infe- rior bien aislada. Se aplica un recubrimiento delgado especial a la superficie superior que absorbe 80% de cualquier radiación solar incidente, mientras tiene una emisividad de 0.25. Se sabe que la densidad y el calor específico del aluminio son y , respectivamente. a) Considere las condiciones para las que la placa está a una temperatura de 25 ℃ y la super- ficie superior se expone súbitamente al aire ambiente a y a radiación solar que proporciona un flujo incidente a . El coeficiente de transferencia de calor por convección entre la superficie y el aire es . ¿Cuál es la velocidad inicial de cambio de la temperatura de la placa? Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 40 Fundamentos de Transferencia de Calor b) ¿Cuál será la temperatura de equilibrio de la placa cuando se alcancen las condiciones de estado estable? Las propiedades radiactivas de la superficie dependen de la naturaleza específica del recubrimien- to aplicado. Calcule y elabore una gráfica de la temperatura de estado estable como función de la emisividad para , mientras todas las demás condiciones permanecen como se esta- bleció. Repita los cálculos para valores de y elabore una gráfica de los resultados con los que se obtuvieron para . Si la finalidad es maximizar la temperatura de la placa, ¿cuál es la combinación más deseable de emisividad de placa y su absortividad, debido a la radia- ción solar? SOLUCIÓN 1.27 Esquema: Suposiciones: a) No hay generación de calor interno b) Radiación insignificante desde los alrededores c) Superficie inferior adiabática d) Propiedades constantes e) Temperatura de la placa uniforme en cualquier instante. Análisis: a) Aplicando un balance de energía, en un instante de tiempo a un volumen de control sobre la placa: ̇ − ̇ = ̇ ; para una unidad de área superficial (1 2 ) − (1 2 ) − ″ (1 2 ) = (. . ) = (1 2 . ). � � Usando y reemplazando las ecuaciones 1.3 y 1.5: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 41 Fundamentos de Transferencia de Calor = 1 . . [ . −. . 4 − ℎ( − ∞ )] = �2700 3 × 0.004× 900 . � −1 . �0.8 × 900 2 − 0.25 × 5.67 ×10 −8 2 . 4 (298) 4 −20 2 . (25 − 20)� b) Bajo condición de estado estacionario o estable; ̇ = 0 y la ecuación del balance se re- duce a: = . . 4 +ℎ( − ∞ ) 0.8 × 900/ 2 = 0.25 × 5.67 × 10 −8 / 2 4 × 4 + 20 / 2 . ( − 293) La solución sería T= 321.4 K = 48.4℃ c) De la ecuación anterior: = . . 4 +ℎ( − ∞ ) Para = 0.8: 0.8 × 900/ 2 = × 5.67 × 10 −8 / 2 4 × 4 +20 / 2 . ( −293) → 5.67 × 10 −8 × 4 () . + 20 −6580 = 0 Para = 0.5: → 5.67 × 10 −8 × 4 () . + 20 −6310 = 0 Para = 1: → 5.67 × 10 −8 × 4 () . +20 − 6760 = 0 Graficando en una calculadora programable: PROBLEMA 1.28 En una estación espacial orbital, un paquete electrónico se almacena en un compartimiento que tiene un área superficial , que se expone al espacio. En condiciones normales de opera- ción, los dispositivos electrónicos disipan 1kW, que debe transferirse en su totalidad de la superfi- Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 42 Fundamentos de Transferencia de Calor cie expuesta al espacio. Si la emisividad de la superficie es 1.0 y la superficie no se expone al sol, ¿cuál es su temperatura de estado estable? Si la superficie se expone a un flujo solar de y su absortividad a la radiación solar es 0.25, ¿cuál es la su temperatura de estado estable? SOLUCIÓN 1.28 Esquema: Suposiciones: Condición de estado estable Análisis: Aplicando la conservación de energía a una superficie de control sobre el comportamiento en cualquier instante: ̇ − ̇ + ̇ = 0 → . . ″ − + = 0 → . . ″ − . . . 4 + = 0 → = � . . ″ + . . � 1/4 No hay exposición al sol: ″ = 0 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 43 Fundamentos de Transferencia de Calor = � 1000 1 2 × 1 × 5.67 × 10 −8 / 2 . 4 � 1/4 = 364 Ante el sol: = � 0.25× 1 2 × 750 / 2 +1000 1 2 × 1 × 5.67 × 10 −8 / 2 . 4 � 1/4 = 380 PROBLEMA 1.29 El consumo de energía relacionado con un calentador de agua doméstico tiene dos componentes: (i) la energía que debe suministrarse para llevar la temperatura del agua de la red de abasteci- miento a la temperatura de almacenamiento del calentador, conforme se introduce para rempla- zar el agua caliente que se ha usado, y (ii) la energía necesaria para compensar las pérdidas de calor que ocurren mientras el agua se almacena a la temperatura establecida. En este problema, evaluaremos el primero de esos componentes para una familia de cuatro personas, cuyo consumo diario de agua caliente es aproximadamente 100 galones. Si el agua de la red está disponible a 15℃, ¿cuál es el consumo anual de energía relacionado con el calentamiento del agua a una tem- peratura de almacenamiento de 55 ℃? Para un costo unitario de potencia eléctrica de , ¿cuál es el costo anual asociado con el suministro de agua caliente por medio de (a) calentamiento con resistencia eléctrica o (b) una bomba de calor que tiene un COP de 3 y una efi- ciencia de compresor (conversión de energía eléctrica a trabajo mecánico) de 85 por ciento? SOLUCIÓN 1.29 Esquema: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 44 Fundamentos de Transferencia de Calor Suposiciones: a) Propiedades del agua constantes. b) El proceso puede ser modelado como una adición de calor en un sistema cerrado. Propiedades del agua: medidos a: = 15 + 55 2 = 35℃ = 308 → En la tabla A.6 (Apéndice A): Para T = 308 K: = −1 = 993 / 3 , = 4.178 /. Análisis: De la ecuación 1.11c, el calor requerido es: = ∆ = . . ∆ = . . ( − ) Además: = 100 264.177 / 3 = 0.379 3 → = 993 2 × (0.379 3 ) × 4.178 (40) = 62 895 Para un año (365 días) = 365. = 2.3 × 10 7 • Se sabe: 1ℎ = 1 (3600) = 3600 = 6376.9 ℎ (a) Para el calentador de resistencia eléctrica, = y al asociarlo con el costo: = 6376.9(0.08) = $510.2 (b) Si la banda del calentador es usado, = ( ). Por tanto = / = 6379.9 ℎ/3 = 2130 ℎ El costo correspondiente será: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 45 Fundamentos de Transferencia de Calor = 2130ℎ � $0.08 ℎ � = $170.1 PROBLEMA 1.30 El laminado en caliente es un proceso en el que se aplanan lingotes de acero sucesivamente a su paso por una serie de rodillos de comprensión. Del último conjunto de rodillos salen tiras (hojas) de metal que se enfrían a medida que se desplazan por rodillos de transporte antes de ser enro- lladas. Es posible identificar tres zonas de enfriamiento. Precisamente adelante del último conjun- to de rodillo y poco antes de la bobina, hay regiones en las que la tira se expone a los alrededores fríos. Entre estas regiones, hay una zona de enfriamiento acelerado en la que se lanzan chorro planos de agua sobre la tira. El agua se mantiene en fase líquida a través de gran parte de la región de choque del chorro, pero las grandes temperaturas de la placa inducen la ebullición y la produc- ción de un manto de vapor en una región de ebullición laminar. (a) Para la producción de tiras de acero bajo en cromo , las condiciones de operación representativas corresponden a una temperatura de salida del rodillo de compresión de , una temperatura del agua de 25℃ Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 46 Fundamentos de Transferencia de Calor en los chorros de choque, y una velocidad de la tira, ancho y espesor de y , respectivamente. ¿cuál es la velocidad a la que debe extraerse calor de la tira para alcanzar una temperatura de bobinado de la tira de ? Identifique todos los procesos de trasferencia de calor que contribuyen al enfriamiento de la pla- ca. SOLUCIÓN 1.30 Esquema: Suposiciones: a) Propiedades constantes. b) El acero pierde calor por el sistema de enfriamiento. Análisis: (a) Para hallar la velocidad de extracción de calor, se halla el ̇ del volumen de control: ̇ = ̇ ( − 0 ) → ̇ = . ( . ) − 0 = . ( − 0 ) → ̇ = . . ( . ). . ( − 0 ) ̇ = 7840 3 × 10 . (2 × 0.004). 970 . (940 − 540) ̇ = 243.35 (b) Procesos de transferencia de calor que contribuyen al enfriamiento: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 47 Fundamentos de Transferencia de Calor • ′ : transferencia de calor por conducción a través del agua : transferencia de calor por convección a través del aire y vapor de agua que hay y se forma. PROBLEMA 1.31 En una etapa de un proceso de recocido, 304 hojas de acero inoxidable se llevan de 300K a 1250K conforme pasan a través de un horno calentado eléctricamente a una velocidad de . El espesor y ancho de la hoja son y , respectivamente, mientras que la altura, ancho y largo del horno son , , y , respectivamente. La parte supe- rior y cuatro lados del horno se exponen al aire ambiental y a alrededores, cada uno a 300 K, y la temperatura de la superficie, coeficiente de convección y emisividad respectivos son , y . La superficie interior del horno también está a 350 K y reposa en una placa de concreto de 0.5 m de espesor cuya base está a 300 K. Estime la potencia eléctrica, , que se requiere suministrar al horno. SOLUCIÓN 1.31 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 48 Fundamentos de Transferencia de Calor Esquema: Suposiciones: a) Condición de estado estable. b) Propiedades constantes. c) Cambios en energía cinética y potencial insignificantes. Propiedades de la tabla A.1 (Apéndice A) • Para aceros inoxidables AISI 304 = + 0 2 = 775, a esta temperatura: = 7900 / 3 ∧ = 578 /. • Para el concreto, según la tabla A.3 : a = 300 , = 1.4/. Análisis: La tasa de adición de energía para el horno debe equilibrar la tasa de transferencia de energía a la hoja de acero y la tasa de pérdida de calor del horno. Con: ̇ − ̇ = 0 → + ̇ ( − 0 ) − = 0 Donde el calor transferido desde el horno con: ̇ = . ( . ) − 0 = ( − 0 ) y Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 49 Fundamentos de Transferencia de Calor = (2 0 0 +2 0 0 + 0 0 ) ×�ℎ( − ∞ ) + . � 4 − 4 �� + ( 0 0 )( − 0 )/ Por tanto se obtiene: = . ( . ) ( 0 − ) + (2 0 0 + 2 0 0 + 0 0 ) × �ℎ( − 0 ) + . � 4 − 4 �� + ( 0 0 )( − 0 )/ Reemplazando todos los datos: = 840 PROBLEMA 1.32 En un contenedor cilíndrico largo de pared delgada se empacan desechos radiactivos. Estos gene- ran energía térmica de manera no uniforme de acuerdo con la relación , don- de es la velocidad local de generación de energía por unidad de volumen, es una constante, y es el radio del contenedor. Las condiciones de estado estable se mantienen sumergiendo el contenedor en un líquido que está a y proporciona un coeficiente de convección uniforme. Obtenga una expresión para la velocidad total a la que se genera energía por unidad de longitud del contenedor. Aproveche este resultado y obtenga una expresión para la temperatura de la pared del contenedor. SOLUCIÓN 1.32 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 50 Fundamentos de Transferencia de Calor Esquema: Suposiciones: a) Condición de estado estable. b) La caída de temperatura a través de las paredes es insignificante. Análisis: El flujo de generación de energía será: ̇ = �̇ = � 0 0 0 �1 − � 0 � 2 � . 2. = 2. ̇ 0 . � �1 − � 0 � 2 � 0 0 . ̇ = 2. ̇ 0 . � 2 0 2 − 2 0 4 � = . ̇ 0 . . 2 0 2 O por unidad de longitud: ̇ ′ = ̇ = . ̇ 0 2 0 2 → Al realizar un balance de energía para la superficie de control, en un instante ̇ ′ − ̇ ′ = 0 Y al sustituir por el flujo de calor por convección por unidad de longitud: . ̇ 0 2 0 2 = ℎ(2 2 0 )( − ∞ ) Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 51 Fundamentos de Transferencia de Calor → = ∞ + ̇ 0 4ℎ PROBLEMA 1.33 Se usa un contenedor esférico de acero inoxidable (AISI 302) para almacenar químicos reactivos que proporcionan un flujo de calor uniforme a la superficie interior. El contenedor se sumerge repentinamente en un baño de líquido de temperatura , donde es la temperatura ini- cial de la pared del contenedor. (a) Suponiendo gradientes de temperatura insignificantes en la pared del contenedor y un flu- jo de calor constante , desarrolle una ecuación que gobierne la variación de la tempera- tura de la pared con el tiempo durante el proceso transitorio. ¿Cuál es la velocidad inicial de cambio de la temperatura de la pared si ? (b) ¿Cuál es la temperatura de estado estable de la pared? El coeficiente de convección depende de la velocidad asociada con el flujo de fluido sobre el con- tenedor y de si la temperatura de la pared es o no suficientemente grande para inducir la ebulli- ción en el líquido. Calcule y elabore una gráfica de la temperatura de estado estable como función de para el rango . ¿Existe un valor de por debajo del cual la opera- ción resulte inaceptable? SOLUCIÓN 1.33 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 52 Fundamentos de Transferencia de Calor Esquema: Suposiciones: a) El gradi8ente de temperatura en la pared es significativa b) Propiedades constantes c) El flujo de calor es independiente del tiempo en la superficie interior Análisis: (a) Al realizar un balance de energía sobre el contenedor: ̇ − ̇ = 0 Para el proceso: ″ (4 2 ) − ℎ. (4 0 2 )( − ∞ ) = . 4 3 ( 0 3 − 3 ). . → = 3 . ( 0 3 − 3 ) [ ″ . 2 −ℎ 0 2 ( − ∞ )] Por tanto al sustituir los valores numéricos: � � = 3[10 5 / 2 . (0.5) 2 −500 / 2 . . (0.6) 2 . (500 −300)] 8055 3 × 510 . × [(0.6) 3 −(0.5) 3 ] 3 → � � = −0.089 / (b) Para estado estable se tiene: ̇ = 0, lo cual ocasiona en la ecuación: ″ (4 2 ) = ℎ(4 0 2 )( − ∞ ) Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 53 Fundamentos de Transferencia de Calor → = ∞ + ″ ℎ � 0 � 2 = 300 + 10 5 / 2 500 / 2 . × � 0.5 0.6 � 2 = 438.8 (c) Para realizar la gráfica correspondiente es necesario realizar la función: = ∞ + ″ ℎ � 0 � 2 = 300 + 10 5 / 2 ℎ × � 0.5 0.6 � 2 (ℎ) = 300 + 69444.4 ℎ • Para ℎ = 100 → = 994 ℎ = 10000 → = 306.94 → Realizando una gráfica, en una calculadora con graficador, el resultado obtenido será. Como se muestra hay un fuerte aumento de para ℎ < 1000 / 2 . • Para > 380 , la ebullición se produce en la superficie del recipiente y para > 410 ocurrirá una condición conocida como película de ebullición. • Aunque el envase o contenedor se mantiene muy por debajo del punto de fusión del acero inoxidable para ℎ = 100 / 2 . , el punto de ebullición se debe evitar por tanto el coefi- ciente de convección debe ser: ℎ > 1000 / 2 . Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 54 Fundamentos de Transferencia de Calor PROBLEMA 1.34 En un contenedor esférico de pared delgada se empacan desechos radiactivos. Estos generan energía térmica de manera no uniforme de acuerdo con la relación , donde es la velocidad local de generación de energía por unidad de volumen, es una constante, y es el radio del contenedor. Las condiciones de estado estable se mantienen sumergiendo el contene- dor en un líquido que está a y proporciona un coeficiente de convección uniforme. Obtenga una expresión para la velocidad total a la que se genera energía térmica en el contene- dor. Con este resultado obtenga una expresión para la temperatura de la pared del contenedor. SOLUCIÓN 1.34 Esquema: Suposiciones: a) Condición estado estable. b) La caída de temperaturas a través de las paredes es insignificante. Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 55 Fundamentos de Transferencia de Calor Análisis: El flujo de generación de energía: ̇ = �̇ . = � 0 0 0 . �1 −� 0 � 2 � . � 4 3 3 � = � 0 0 0 �1 − 2 0 2 � . 4 2 ̇ = 4. 0 � � 2 − 4 0 2 � 0 0 = 4 0 � 3 3 − 5 5 0 2 �� 0 0 Expresión de velocidad a la que se genera energía: ̇ = 8. 0 . 0 3 15 → Al realizar un balance de energía para la superficie de control, en un instante: ̇ − ̇ + ̇ = 0 ; ̇ = 0 → ̇ = ̇ → 8. 0 . 0 3 15 = ℎ(4 0 2 ). ( − ∞ ) → = ∞ + 2. 0 . 0 15. ℎ PROBLEMA 1.35 En un contenedor esférico cuya superficie externa es de 500 mm de diámetro y está a una tempe- ratura de –10 ℃ se almacena oxígeno líquido, que tiene un punto de ebullición de 90 K y un calor latente de vaporización de . El contenedor se almacena en un laboratorio cuyo aire y paredes están a 25 ℃. (a) Si la emisividad de la superficie es 0.20 y el coeficiente de transferencia de calor asociado con la convección libre en la superficie externa del contenedor es , ¿cuál es el flujo, en kg/s, al que se debe descargar vapor de oxígeno del sistema? La humedad en el ambiente tendrá como resultado formación de escarcha en el contenedor, lo que causará que la emisividad de la superficie aumente. Suponiendo que la temperatura de la su- perficie y el coeficiente de convección permanecen a –10 ℃ y , respectivamente, cal- Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 56 Fundamentos de Transferencia de Calor cule la rapidez de evaporización de oxígeno (kg/s) como función de la emisividad de la superficie sobre el rango . SOLUCIÓN 1.35 Esquema: Suposiciones: a) Condición de estado estacionario. b) Temperatura exterior del contenedor igual al punto de ebullición del oxígeno. Análisis: (a) Aplicando un balance de energía sobre la superficie de control del contenedor, para cual- quier instante: ̇ − ̇ = 0 ó + − = 0 La pérdida de calor por vaporización es igual al producto del flujo másico de la producción de va- por y el calor de vaporización. Por tanto: �ℎ( ∞ − ) + Ɛ. � 4 − 4 �� − ̇ . ℎ = 0 ……. . (1) ̇ = �ℎ( ∞ − ) + Ɛ. � 4 − 4 �� ℎ ……. . (2), = 263 ∞ = = 298 ̇ = �10 2 . (298 − 236) +5.67 ×10 −8 ×0.2 2 . 4 (298 4 −263 4 ) 4 � (0.5) 2 214000 / Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 57 Fundamentos de Transferencia de Calor ̇ = 1.41 × 10 −3 / (b) De la ecuación (2): ̇ = [10(298 − 263) +. 5.67 × 10 −8 (298 4 − 263 4 )]0.785 214000 → ̇ () = 274.75 +138.0596 × 214000 Se trata de una función lineal Se obtiene: • ̇ ( = 0.2) = 1.41 × 10 −3 / • ̇ ( = 0.94) = 1.89 × 10 −3 / El efecto de la emisividad es cada vez mayor para aumentar la transferencia de calor en el reci- piente o contenedor, por tanto aumenta el flujo de producción de vapor. PROBLEMA 1.36 Un trozo de hielo en un contenedor de paredes delgadas de 10 mm de espesor y 300 mm por lado se coloca en una almohadilla bien aislada. En la superficie superior, el hielo se expone al aire am- biental para el que y el coeficiente de convección es . Sin tomar en cuenta Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 58 Fundamentos de Transferencia de Calor la transferencia de calor de los lados y suponiendo que la mezcla de hielo-agua permanece a 0℃, ¿cuánto tiempo tardará en fundirse por completo el hielo? La densidad y calor latente de fusión del hielo son y , respectivamente. SOLUCIÓN 1.36 Esquema: Suposiciones: a) Condición de estado estable. b) Temperatura de la superficie de control igual al punto de fusión del hielo. Análisis: Aplicando un balance de energía sobre la superficie de control sobre el contenedor (no hay trans- ferencia por los lados). Por tanto: ̇ − ̇ = 0 Donde: ̇ = ̇ . ℎ ̇ = ℎ. ( ∞ − ) Además: ̇ = . ; = . 2 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 59 Fundamentos de Transferencia de Calor → ℎ. ( ∞ − ) = . . ℎ → = . . ℎ ℎ. ( ∞ − ) = 920 3 (0.01)(0.3) 2 × 334 × 10 3 / 25 2 . (0.3. 0.01)(25 −0) = 147494.4 . PROBLEMA 1.37 Siguiendo el vacío caliente que forma una mezcla de pulpa de papel, el producto, un cartón de huevo, se transporta por una banda 18 s hacia la entrada de un horno de gas donde se seca a un contenido final deseado de agua. Para aumentar la productividad de la línea, se propone que se instale sobre la banda un banco de calentadores de radiación infrarroja, que proporciona un flujo radiante uniforme de . El cartón tiene un área expuesta de y una masa de 0.220 kg, 75% de la cual es agua después del proceso de formación. El jefe de ingenieros de su planta aprobará la compra de los calentadores si el contenido de agua del cartón se reduce de 75 a 65%. ¿Recomendaría la compra? Suponga que el calor de vaporiza- ción del agua es . SOLUCIÓN 1.37 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 60 Fundamentos de Transferencia de Calor Esquema: Suposiciones: a) Todo el flux de radiación del banco de calentadores es absorbido por el cartón. b) La pérdida de calor por radiación y convección del cartón es insignificante. c) Pérdida de masa en la parte inferior insignificante. Análisis: Tomando como volumen de control a la caja de cartón de huevo; y teniendo esto para un intervalo de tiempo (∆). − = ∆ = 0 Dónde: : Flux absorbido ( ″ ) : Energía que sale por la evaporación del agua. Por tanto: ″ . . ∆ = ∆. ℎ ∆ = ″ . . ∆ ℎ = (5000)(0.0625)(18) 24000 × 10 3 = 0.00234 • El jefe de ingenieros, exigió remover 10% del contenido de agua (75% - 65%) ∆ = × 0.1 = 0.22 × 0.1 = 0.022 Siendo este resultado mayor que el valor obtenido por evaporización de agua. Por tanto la compra no debe ser recomendada, ya que la eliminación de agua exigida no se puede lograr. PROBLEMA 1.38 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 61 Fundamentos de Transferencia de Calor Unos dispositivos electrónicos de potencia se montan en un disipador de calor que tiene un área de superficie expuesta de y una emisividad de 0.80. Cuando los dispositivos disipan una potencia total de 20 W y el aire y los alrededores están a 27 ℃, la temperatura promedio del disi- pador es de 42 ℃. ¿Cuál temperatura promedio alcanzará el disipador cuando los dispositivos di- sipen 30 W para la misma condición ambiental? SOLUCIÓN 1.38 Esquema: Realizando el análisis: Definiendo el volumen de control alrededor del disipador: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 62 Fundamentos de Transferencia de Calor ̇ − ̇ = 0 − ℎ ( − ∞ ) − . . . � 4 − 4 � = 0 ………(1) • Para la situación: = 20 , con = 42℃, donde se obtienen; ℎ = � −. � 4 − 4 � ⁄ �/( − ∞ ) ℎ = [20 0.045 −0.8 × 5.67 × 10 −8 (315 4 − 300 4 ) ⁄ ]/(315 − 300) ℎ = 24.4 / 2 . • Para la situación cuando: = 30 , usando el ℎ hallado; en (1): 30 −24.4 2 × 0.045 2 ( −300) − 0.045 2 . 0.8 ×5.67 × 10 −8 2 . 4 � 4 −300 4 � = 0 → 30 = 1.098( − 300) +2.041 × 10 −9 � 4 − 300 4 � • Usando una calculadora programable: = 322 = 49℃ PROBLEMA 1.39 El techo de un automóvil en un establecimiento absorbe un flujo solar radiante de , mientras que el lado contrario está perfectamente aislado. El coeficiente de convección entre el techo y el aire ambiente es . (a) Sin tomar en cuenta el intercambio de radiación con los alrededores calcule la temperatura del techo bajo condiciones de estado estable si la temperatura del aire ambiente es 20 ℃ (b) Para la misma temperatura del aire ambiental, calcule la temperatura del techo si la emisi- vidad de la superficie es 0.8. El coeficiente de convección depende de las condiciones del flujo de aire sobre el techo, y se in- crementa con el aumento de la velocidad del aire. Calcule y elabore una gráfica de la temperatura de placa como función de para . SOLUCIÓN 1.39 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 63 Fundamentos de Transferencia de Calor Esquema: Suposiciones: a) Condición estado estable. b) Insignificante transferencia de calor al interior del auto. c) Insignificante radiación de la atmósfera. Análisis: (a) Aplicando un balance de energía sobre la superficie de control, mostrado en el esquema, para un instante de tiempo, además de que una emisión de radiación es considerada insig- nificante. ̇ − ̇ = 0 → , ″ . − ℎ. ( − ∞ ) = 0 → = ∞ + , ″ ℎ = 20℃+ 800 / 2 12 / 2 . = 20℃+ 66.7℃ = 86.7℃ (b) Con una radiación que se emite desde la superficie, el balance de la energía tomará la si- guiente forma: , ″ . − −. = 0 , ″ . − ℎ. ( − ∞ ) − . . . 4 = 0 - Al sustituir valores, pero ∞ = 20℃+ 273 = 293 800 2 −12 2 . × ( −293) −0.8 ×5.67 ×10 −8 2 . 4 � 4 � = 0 → 4.536 × 10 −8 4 + 12 − 4316 = 0 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 64 Fundamentos de Transferencia de Calor Con uso de calculadora programable: = 320 = 47℃ (c) De la ecuación anterior: 800 −ℎ( −293) −0.8 × 5.67 × 10 −8 4 = 0 → Para ℎ = 2: 4.536 × 10 −8 4 +(2)( − 293) −800 = 0 = 350.54 → Para ℎ = 200: 4.536 × 10 −8 4 +200( − 293) −800 = 0 = 295.97 Se obtiene: ℎ(/ 2 . ) 2 10 20 40 60 80 100 120 () 350.54 323.4 311.6 303.4 300.2 298.5 297.5 296.7 Se grafican los datos: PROBLEMA 1.40 La temperatura de operación de un detector infrarrojo para un telescopio espacial se controla ajustando la potencia eléctrica, é , para un calentador delgado intercalado entre el detector y el 140 160 180 200 296.2 295.8 295.5 295.27 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 65 Fundamentos de Transferencia de Calor “dedo frio” cuyo extremo opuesto está inmerso en nitrógeno líquido a 77 K. La varilla del dedo frio de 5 mm de diámetro tiene una conductividad térmica de 10/ . y se extiende 50 mm sobre el nivel del nitrógeno líquido en un frasco Dewar. Suponga que la superficie del detector tiene una emisividad de 0.9 y el vacío del recinto se mantiene a 300 K. (a) ¿Cuál es la temperatura del detector cuando no se suministra ninguna potencia al calentador? (b) ¿Qué potencia de calentamiento se requiere para mantener al detector a 195 K? Calcule y elabore un gráfica de la potencia de calentamiento requerida para mantener una temperatura de detector de 195 K como función de la conductividad térmica del dedo frio para 0.1 ≤ ≤ 400/ . . Seleccione un material adecuado del dedo que permita mantener la temperatura establecida del detector a un nivel bajo de consumo de potencia. SOLUCIÓN 1.40 Esquema: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 66 Fundamentos de Transferencia de Calor Suposiciones: a) Condición de estado estable b) Conducción unidimensional a través del dedo frio c) El detector y calentador son delgados e isotérmicos a d) Detector es menor al contenedor, en cuanto superficies. Análisis: Al estar definido el volumen de control (Detector-calentador), aplicando el balance energético: ̇ − ̇ = 0 → ̇ = ̇ Dónde: ̇ = + é ; ̇ = De estos: . . . � 4 − 4 � + é = . . ( − )/. …………(1) (a) Para el caso é = 0 . . . � 4 − 4 � = . . ( − )/ 0.9 × 5.67 × 10 −8 2 . 4 ⁄ �300 4 − 4 � = 10 . ⁄ × ( − 77)/0.05 5.103 × 10 −8 �300 4 − 4 � = 200( −77) = 79.1 (b) Para = 195; en (1) 0.9 � 4 (0.005) 2 � . 5.67 × 10 −8 (300 4 − 195 4 ) 4 + é = 10 . × (195 − 77) 0.05 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 67 Fundamentos de Transferencia de Calor é = 0.457 = 457 PROBLEMA 1.41 Considere el sistema físico que se describe en el ejemplo 1.5 bajo condiciones en las que los gases de combustión están a 1300 ℃ y la transferencia de calor por convección de los gases a la superfi- cie interna se caracteriza por un coeficiente de convección de . La pared del horno está construida con un ladrillo de sílice diatónico para el que y , mientras que el medio circundante permanece a 25℃. El intercambio de radiación entre los gases de combustión y la superficie interior se puede dejar de lado. Calcule y elabore una gráfica de las temperaturas de las superficies interior y exterior, y , como función del espesor de la pared para un coeficiente de convección externo de y como función del coeficiente de convección para . Sugiera valores de y adecuados para mantener a por debajo de un valor máximo permisible de 100 ℃. SOLUCIÓN 1.41 Esquema: Suposiciones: a) Estado estable b) Conducción unidimensional Análisis: Se realiza un balance de energía, en las superficies: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 68 Fundamentos de Transferencia de Calor Superficie 1: 1 ″ = ,1 ″ ℎ 1 � ∞ 1 − 1 � = ( 1 − 2 )/ ………. . (1) Superficie 2: 1 ″ = 2 ″ + ″ ( 1 − 2 )/ = ℎ 2 � 2 − ∞ 2 � +. � 2 4 − 4 � ………(2) De (1) y (2); se obtiene: 1 = �ℎ 1 + � −1 . �ℎ 1 ∞ 1 + 2 � . . � 2 4 − 4 � + ℎ 2 � 2 − ∞ 2 � − � ℎ 1 ∞ 1 −ℎ 1 2 ℎ 1 + ⁄ � = 0 Para ℎ 2 = 10 2 . ⁄ y las otras constantes 1 , 2 vs. : 1 = (50 + 0.3 ⁄ ) −1 . �50 × 1573 + 0.3 . 2 � 0.8 × 5.67 × 10 −8 � 2 4 − 4 � +10( 2 − 298) −0.3 � 50 × 15 + 3 − 50 × 2 50. + 0.3 � = 0 Se obtiene: () 0.025 0.05 0.075 0.01 0.125 2 () 614.5 531.1 485.2 455.3 433.88 1 () 1387.5 1461.4 1492.4 1509.7 1520.8 (Los valores restantes y gráfica se realizan en Excel) • Los valores de 2 , se obtienen usando métodos numéricos. • Similarmente para = 0.15 1 = 1 52 (50 × 1573 +2 2 ) 0.8 × 5.67 × 10 −8 � 4 − 4 � − 2 52 (50 × 1573 × 50 2 ) +( 2 − 298)ℎ 2 = 0 Por el mismo proceso anterior se tiene la gráfica en Excel. Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 69 Fundamentos de Transferencia de Calor Usando métodos numéricos para hallar T 2 . PROBLEMA 1.42 Se sabe que le flujo de calor por difusión a través de una pared plana hasta la superficie es . Determine la temperatura de la superficie para cada una de las siguientes condicio- nes: (a) Convección entre la superficie y un flujo de aire a 20 ℃ con coeficiente de transferencia de calor . El mismo proceso de convección ocurre junto con transferencia radiactiva de calor entre la super- ficie y los alrededores fríos a –150 ℃, con un coeficiente de transferencia radiactiva . SOLUCIÓN 1.42 Esquema: Suposiciones: a) Condición de estado estable. b) La difusión se da a través de la pared, de manera uniforme. Análisis: (a) Para el caso que solo exista convección entre la superficie y flujo de aire. ̇ − ̇ = 0 ″ − ℎ( − ∞ ) = 0 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 70 Fundamentos de Transferencia de Calor → = ∞ + ″ ℎ = 20℃+ 400 2 ⁄ 10 2 ℃ ⁄ = 60℃ (b) Para el caso de que exista convección y radiación: ̇ − ̇ = 0 ″ − ℎ( − ∞ ) −ℎ ( − ) = 0 → = ″ + ℎ ∞ +ℎ (ℎ + ℎ ) = 400 2 + 10 2 . ⁄ × 20℃+5 2 . ⁄ × (−150℃) ⁄ 10 2 . ⁄ + 5 2 . ⁄ = −10℃ PROBLEMA 1.43 Una superficie cuya temperatura se mantiene a 400℃ está separada de un flujo de aire por una capa aislante de 25 mm de espesor, cuya conductividad térmica es . Si la temperatura del aire es 35℃ y el coeficiente de convección entre el aire y la superficie exterior del aislante es , ¿cuál es la temperatura de esta superficie exterior? SOLUCIÓN 1.43 Esquema: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 71 Fundamentos de Transferencia de Calor Suposiciones: a) Condición de estado estable b) Conducción en el asistente, unidimensional c) Insignificante intercambio de radiación entre la superficie exterior y los alrededores. Análisis: Balance de energía sobre la superficie exterior en un instante de tiempo: ″ = ″ Reemplazando ecuaciones: . ( 1 − 2 ) = ℎ( 2 − ∞ ) Para 2 : 2 = . 1 + ℎ ∞ ℎ + = 0.1 . ⁄ 0.025 . (400℃) +500 2 . ⁄ (35℃) 500 2 . ⁄ + 0.1 . ⁄ 0.025 → 2 = 37.89℃ = 310.89 PROBLEMA 1.44 La pared de un horno que se usa para curar partes de plástico tiene un espesor y la superficie externa está expuesta a alrededores y aire, que están a 300K. (a) Si la temperatura de la superficie externa es 400 K y el coeficiente de convección y la emi- sividad son y , respectivamente, ¿cuál es la temperatura de la superficie interna si la pared tiene una conductividad térmica ? (b) Considere condiciones en las que la temperatura de la superficie interna se mantiene a 600 K, mientras el aire y los alrededores a los que está expuesta la superficie externa se man- tienen a 300 K. Explore los efectos de las variaciones en sobre (i) la temperatura de la superficie externa, (ii) el flujo de calor a través de la pared y (iii) los flujos de calor aso- ciados con la transferencia de calor por convección y la radiación de la transferencia de ca- lor de la superficie externa. De manera específica, calcule y elabore una gráfica de las va- riables dependientes anteriores para variaciones paramétricas alrededor de las condicio- nes base de . Los rangos sugeridos de las Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 72 Fundamentos de Transferencia de Calor variables independientes son: Exponga las implicaciones físicas de sus resultados. ¿En qué condiciones la temperatura de la su- perficie externa será menor que 45℃, lo cual es un límite superior razonable para evitar daños por quemaduras si se hace contacto? SOLUCIÓN 1.44 Esquema: Suposiciones: a) Condiciones estado estable. b) Intercambio de radiación. Análisis: a) Aplicando el balance de energía para la superficie exterior en un instante de tiempo: ″ = ″ + ″ → 1 − 2 = ℎ( 2 − ∞ ) + . ( 2 4 − 4 ) → 1 = 2 + �ℎ( 2 − ∞ ) + . ( 2 4 − 4 )� → 1 = 400 + 0.05 m 0.7/. �20 2 ⁄ . (100) +0.8 × 5.67 × 10 −8 2 . 4 (400 4 −300 4 ) 4 � → 1 = 599.6 ≈ 600 b) Variación: 2 vs. → 20( 2 −300) + 4.536 × 10 −8 � 2 4 −300 4 � + ( 2 − 600). 20 = 0 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 73 Fundamentos de Transferencia de Calor Para: (/. ) 0.1 1 10 20 40 50 100 150 200 () 321.85 422.9 554.8 574.8 586.58 589.1 594.4 596.2 597.2 • Para 2 vs. h: ℎ( 2 −300) + 0.8 × 5.67 × 10 −8 � 2 4 − 300 4 � +200( 2 − 600) = 0 4.536 × 10 −8 � 2 4 −300 4 � + 200( 2 −600) + ℎ( 2 − 300) = 0 Se obtiene: (/. ) 2 10 20 40 60 80 100 120 140 () 574.4 563.3 554.8 535.9 519.5 505.1 492.3 481 470.9 • Para 2 vs. ε: × 5.67 × 10 −8 � 2 4 −300 4 � +20( 2 − 300) +200( 2 − 600) = 0 Se obtiene: 0.05 0.10 0.15 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 () 571.5 570.2 568.98 567.8 565.5 563.2 561.0 558.89 556.8 554.8 552.9 Graficando en Excel: 250 300 350 400 597.7 598.1 598.4 598.6 160 180 200 461.9 453.8 446.4 1.0 551.05 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 74 Fundamentos de Transferencia de Calor k (W/m*K) T2 0.1 321.85 1 422.9 10 554.8 20 574.8 40 586.58 50 589.1 100 594.4 150 596.2 200 597.2 250 597.7 300 598.1 350 598.4 400 598.6 h (W/m2*K) T2 2 574.4 10 563.3 20 554.8 40 535.9 60 519.5 80 505.1 100 492.3 120 481 140 470.9 160 461.9 180 453.8 200 446.4 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 75 Fundamentos de Transferencia de Calor e T2 0.05 571.5 0.1 570.2 0.15 568.98 0.2 567.8 0.3 565.5 0.4 563.2 0.5 561 0.6 558.89 0.7 556.8 0.8 554.8 0.9 552.9 1 551.05 PROBLEMA 1.45 Un experimento para determinar el coeficiente de convección relacionado con el flujo de aire so- bre la superficie de un molde grueso de acero implica la inserción de termopares en el molde a una distancia de 10 y 20 mm de la superficie a lo largo de una línea hipotética normal a la superfi- cie. El acero tiene una conductividad térmica de . Si los termopares miden temperatu- ras de 50 y 40℃ en el acero cuando la temperatura del aire es 100℃, ¿cuál es el coeficiente de convección? SOLUCIÓN 1.45 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 76 Fundamentos de Transferencia de Calor Esquema: Suposiciones: a) Condición de estado estable b) Conducción unidimensional en la dirección c) Propiedades constantes Análisis: Aplicando un balance energético en la superficie exterior: ″ = ″ Dónde: ″ = ℎ( ∞ − 0 ) • Según la ley de Fourier: ″ = . 1 − 2 2 − 1 = 15 . . (50 −40) (20 − 10). 10 −3 m ″ = 15000 /m 2 • Aplicando la misma ley, se obtiene 0 : ″ = . 0 − 1 1 − 0 → 15000 2 = 15 . . ( 0 − 50)℃ 10 × 10 −3 m → 0 = 60℃ • Reemplazando en el balance: ″ = ″ = ℎ( ∞ − 0 ) Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 77 Fundamentos de Transferencia de Calor → ℎ = ″ ( ∞ − 0 ) = 15000 m 2 ⁄ 40 = 375 m 2 ⁄ . PROBLEMA 1.46 Un elemento delgado de calentamiento eléctrico proporciona un flujo de calor uniforme a la superficie externa de un ducto a través del cual fluye aire. La pared del ducto tiene un espesor de 10 mm y una conductividad térmica de . (a) En una cierta posición, la temperatura del aire es 30℃ y el coeficiente de transferencia de calor por convección entre el aire y la pared interna del ducto es . ¿Qué flujo de calor se requiere para mantener la superficie interna del ducto a ? (b) Para las condiciones del inciso (a), ¿cuál es la temperatura de la superficie del ducto contigua al calentador? Con , calcule y elabore una gráfica de como función del coeficiente de convección aireado interior para el intervalo . Analice brevemente sus resultados. SOLUCIÓN 1.46 Esquema: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 78 Fundamentos de Transferencia de Calor Suposiciones: a) Condición de estado estable. b) Propiedades constantes. c) Una conducción unidimensional en la pared de ducto. d) Radiación insignificante Análisis: a) Realizando un balance de energía: • Superficie inferior: 0 ″ = ″ • Superficie superior ″ = ″ = 0 ″ 0 ″ = ″ = ℎ( − ∞ ) = 100 m 2 . (85 − 30) = 55000 m 2 ⁄ b) Según la ley de Fourier, para la pared del ducto: 0 ″ = ″ = 0 − → 0 = + 0 ″ . = 85℃+ 55000 m 2 . ⁄ (0.01m) 20 m. K ⁄ = 87.8℃ c) 0 en función de ℎ: ″ = ″ → ℎ( − ∞ ) = 0 − 0 = + ℎ. ( − ∞ ) = 85 + ℎ. � 0.01 20 � . (85 −30) 0 = 85 +0.0275ℎ • Para ℎ = 10 m 2 . → 0 = 85.275℃ Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 79 Fundamentos de Transferencia de Calor ℎ( 2 . ⁄ ) 40 80 120 160 200 0 (℃) 86.1 87.2 88.3 89.4 90.5 PROBLEMA 1.47 La superficie de una pared de 10 mm de ancho de acero inoxidable se man- tiene a 90℃ mediante la condensación de vapor, mientras que la superficie opuesta se expone a un flujo de aire para el que . ¿Cuál es la temperatura de la superfi- cie adyacente al aire? SOLUCIÓN 1.47 Esquema: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 80 Fundamentos de Transferencia de Calor Suposiciones: a) Condición de estado estable. b) Conducción dentro de la pared unidimensional. c) Insignificante radiación entre la superficie exterior y alrededores. Análisis: Balance de energía sobre la superficie exterior, en un instante de tiempo: ″ = ″ Reemplazando: ( 1 − 2 ) = ℎ( 2 − ∞ ) → 2 = . 1 +ℎ. ∞ ℎ + = 15 m. K ⁄ 0.01m . (90℃) + 25 m 2 . (20℃) 25 m 2 . + 15 m. K ⁄ 0.01m 2 = 88.85℃ PROBLEMA 1.48 Una placa de vidrio a 600℃ se enfría al pasar aire sobre la superficie de modo que el coeficiente de transferencia de calor por convección es . Para evitar fracturas, se sabe que el gradiente de temperatura no debe exceder 15℃/mm en punto alguno del vidrio durante el proce- so de enfriamiento. Si la conductividad térmica del vidrio es y la emisividad superfi- cial es 0.8, ¿cuál es la temperatura más baja del aire que se puede usar inicialmente para el enfria- do? Suponga que la temperatura del aire es igual a la de los alrededores. SOLUCIÓN 1.48 Esquema: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 81 Fundamentos de Transferencia de Calor Suposiciones: a) Conducción unidimensional en dirección . b) Intercambio de radiación con alrededor largos. Análisis: El máximo gradiente de temperatura existirá en la superficie del vidrio y en el instante que el en- friamiento se inicia por tanto: ″ = ″ + ″ → −. = ℎ( − ∞ ) + . � 4 − 4 � Se sabe: � � máx = −15℃/mm = −15000℃/m ∧ = ∞ → −1.4 m. K �−15000 ℃ m � = 5 W m 2 . (873 − ∞ ) +0.8 × 5.67 × 10 −8 m 2 . / �873 4 − ∞ 4 � 4 Resolviendo en una calculadora programable: ∞ = 618 = 345℃ PROBLEMA 1.49 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 82 Fundamentos de Transferencia de Calor Un flujo solar de incide sobre un colector solar plano que se utiliza para calentar agua. El área del colector es , y 90% de la radiación solar pasa a través de la cubierta de vidrio y es absorbida por la placa de absorción. El colector refleja el 10% restante. Fluye agua por la tubería en la parte posterior de la placa de absorción, y se calienta de una temperatura de entrada a una temperatura de salida . La cubierta de vidrio, que opera a 30℃, tiene una emisividad de 0.94 y experimenta un intercambio de radiación con el espacio abierto a –10℃. El coeficiente de convección entre la cubierta de vidrio y el aire ambiente a 25℃ es . (a) Lleve a cabo un balance de energía general sobre el colector para obtener una expresión de la rapidez a la que se colecta calor útil por unidad de área del colector, . Determine el valor de . (b) Calcule la elevación de temperatura del agua, , si el flujo es 0.01 kg/s. Suponga que el calor específico del agua es . La eficiencia del colector se define como la razón del calor útil colectado a la rapidez con que incide la energía solar sobre el colector. ¿Cuál es el valor de ? SOLUCIÓN 1.49 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 83 Fundamentos de Transferencia de Calor Esquema: Suposiciones: a) Condición de estado estable. b) El área del colector es pequeño comparado con los alrededores. Análisis: a) Definiendo al colector como volumen de control y estableciendo la conservación de ener- gía por unidad de área: ̇ − ̇ + ̇ = ̇ Reemplazando: ″ − ″ − ″ − ″ = 0 Donde ″ = ( ″ )0.9 ″ = 0.9 ″ −. � 4 − 4 � −ℎ( − ∞ ) ″ = 0.9 × 700 m 2 −0.94 × 5.67 × 10 −8 m 2 . 4 (303 4 −263 4 ) 4 −10 m 2 . (30 −25) ″ = 386 m 2 b) El calor total usado para este propósito (del agua) será ″ . . definiendo como volumen de control el agua en la tubería, este calor es usado para un cambio de entalpía en el flujo de agua. Por tanto: ″ . = ̇ ( − 0 ) Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 84 Fundamentos de Transferencia de Calor → ( − 0 ) = 386 m 2 × 3m 2 0.01 ⁄ × 4179 J/kg. K = 27.7℃ c) Eficiencia del colector: = ″ ″ = 386 m 2 ⁄ 700 m 2 ⁄ = 0.55 ó 55% PROBLEMA 1.50 Considere un colector solar plano que opera en condiciones de estado estable. La radiación solar incide, por unidad de área superficial del colector, a una rapidez . La cubierta de vidrio es completamente transparente a esta radiación, y la fracción de la radiación absorbida por la pla- ca negra de absorción se designa α (absortividad). La fracción de la radiación no absorbida por la placa de absorción (1 – α) se supone que se refleja a través de la cubierta y regresa a la atmósfera y al espacio. Se obtiene energía útil del colector al pasar un fluido de trabajo a través de una tubería de cobre que está pegada al lado inferior de la placa de absorción. La tubería forma un arreglo en serpentín para el que el fluido, a un fluido constante y calor específico , se calienta de una temperatura de entrada a una temperatura de salida . Aunque el fondo del colector se supone que está perfectamente aislado (ninguna pérdida de calor), habrá una pérdida de calor de la placa de ab- sorción debido a la convección a través del espacio de aire e intercambio de radiación con la cu- bierta. Suponiendo que las placas de absorción y de cubierta tienen temperaturas uniformes , respectivamente, los flujos paralelos de calor por convección y radiación se expresan como . La cantidad es el coeficiente de transferencia de calor por radia- ción asociado con el espacio de aire, mientras que es el coeficiente de transferencia de calor por radiación asociado con la combinación placa de absorción-placa de cubierta. La cubierta de vidrio también transfiere calor por convección al aire ambiente , e intercambia energía en la forma de radiación con sus alrededores, . La temperatura efectiva del cielo y superficies circundantes vistas por el vidrio de la cubierta es por lo general menor que la temperatura del aire ambiente. (a) Escriba una ecuación para la velocidad a la que el fluido de trabajo colecta energía útil , y exprese los resultados en términos de . Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 85 Fundamentos de Transferencia de Calor (b) Lleve a cabo un balance de energía sobre la placa de absorción. Con este balance obtenga una expresión para en términos de (área de la superficie de las placas de absorción y cubierta). (c) Lleve a cabo un balance de energía sobre la placa de la cubierta. (d) Haga un balance de energía general sobre todo el colector, trabajando con un volumen de control alrededor del colector. Compare sus resultados con los que se obtienen en las par- tes (b) y (c). (e) La eficiencia del colector se define como la razón del calor útil colectado a la rapidez con que incide la energía solar sobre el colector. Obtenga una expresión para . Comente qué efecto tendrá el vapor de sobre . ¿qué pasaría con si se quitara la pla- ca de la cubierta? SOLUCIÓN 1.50 Esquema: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 86 Fundamentos de Transferencia de Calor Suposiciones: a) Condición de estado estable. b) Propiedades constantes. Análisis: a) Para hallar la velocidad a la que el fluido colecta energía: ̇ = = ̇ ( 0 − ) ; donde 0 − = ( 0 − ) → = ̇ ( 0 − ) b) Balance de energía sobre la placa de absorción: ̇ − ̇ = 0 → ″ − , ″ − , ″ − ″ = 0 → ″ = = . − ℎ ( − ) − ℎ , ( − ) = �. −ℎ ( − ) −ℎ , ( − )� c) Balance de energía sobre la placa de la cubierta: ̇ − ̇ = 0 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 87 Fundamentos de Transferencia de Calor → , ″ − ,∞ ″ − , ″ = 0 ℎ , ( − ) = ℎ ∞ ( − ∞ ) + ℎ ,, ( − ) = 0 d) Balance general: ̇ − ̇ = ̇ ̇ = ″ ; ̇ = ,∞ ″ + , ″ + ″ ̇ = , ″ (Convección hacia el aire dentro del sistema) ″ − ,∞ ″ − , ″ − ″ − , ″ = 0 Esta ecuación se puede obtener al reemplazar la ecuación de (c) en (b) e) Eficiencia: = ″ ″ = ̇ ( 0 − ) . f) • El valor de ̇ tiene un efecto directo sobre la eficiencia () y de la misma manera ( 0 ), además de tener efecto inverso sobre , es decir si aumentamos ̇ aumentará . Al quitar la cubierta descendería, es decir sería menor al valor actual, debido a una mayor pér- dida por convección y radiación. PROBLEMA 1.51 Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 88 Fundamentos de Transferencia de Calor Considere un transistor montado en superficie sobre una tarjeta impresa para circuitos cuya tem- peratura se mantiene a 35℃. Fluye aire a 20℃ sobre la superficie superior de dimensiones 4 mm por 8 mm con un coeficiente de convección de . Tres alambres conductores, cada uno de sección transversal 1 mm por 0.25 mm y longitud 4 mm, conducen calor desde la caja a la tarjeta impresa. El hueco entre la caja y la tarjeta es 0.2 mm. (a) Suponiendo que la caja es isotérmica y sin tomar en cuenta la radiación, estime la tempe- ratura de la caja cuando el transistor disipa 150 mW y (i) aire estancado o (ii) una pasta conductora llena el hueco. Las conductividades térmicas del alambre conductor, aire y pas- ta conductora son 25, 0.0263 y , respectivamente. Con el uso de la pasta conductora para llenar el hueco, deseamos determinar el punto al que la disipación de calor aumentada se puede acomodar, sujeta a la restricción de que la temperatura de la caja no exceda 40℃. Las opciones incluyen aumentar la velocidad del aire para lograr un ma- yor coeficiente de convección y/o cambiar el material del alambre conductor a uno de mayor conductividad térmica. Considerando independientemente los conductores fabricados con mate- riales cuyas conductividades térmicas sean de , calcule y elabore una gráfica de la disipación de calor máxima admisible para variaciones en sobre el rango . SOLUCIÓN 1.51 Esquema: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 89 Fundamentos de Transferencia de Calor Suposiciones: a) Condición de estado estable. b) Caja de transistor isotérmico. c) Radiación insignificante. Análisis: a) Teniendo al transistor como sistema, identificamos los modos de transferencia de energías: ̇ − ̇ + ̇ = ∆ ̇ = 0 − − − 3 + ̇ = 0 (1) −ℎ. ( − ∞ ) − ℎ . ℎ ( − ) − 3 . . ( − ) + ̇ = 0 Dónde: = ℎ = 1 × 2 = 4 × 8 mm 2 = 32 × 10 −6 m 2 = × = 0.25 × 1mm 2 = 25 × 10 −8 m 2 Reemplazando y resolviendo , para la condición de aire ℎ = 0.0263 m. = ℎ. . ∞ + [ ℎ . / +3( . /)]. + ̇ ℎ. + ℎ . / + 3( . /) = 50 m 2 . × 32 × 10 −6 m 2 × 20℃�0.0263 m.K × 32 × 10 −6 m 2 0.2 × 10 −3 m +3 �25 m .K × 25 × 10 −8 m 2 4 × 10 −3 m �� 35 50 m 2 . × 32 × 10 −6 m 2 + 0.0263 m.K × 32 × 10 −6 m 2 0.2 × 10 −3 m +3 �25 m .K × 25 × 10 −8 m 2 4 × 10 −3 m � → = 47℃ Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 90 Fundamentos de Transferencia de Calor • Para la condición de la pasta ℎ, = 0.12 m. K ⁄ , se obtiene en la misma ecuación: = 39.9℃ b) De la ecuación (1): Se sabe que la potencia disipada = = ℎ. ( − ∞ ) + . . ( − 0 ) +3. . × ( − 0 ) • Para = 400 m. K ⁄ (ℎ) = 0.471 + 6.4 × 10 −4 . ℎ Para ℎ = 50 → = 0.503 ∧ ℎ = 250 → = 0.63 • Para = 200 m. K ⁄ (ℎ) = 0.2835 + 6.4 × 10 −4 . ℎ Para ℎ = 50 → = 0.32 ∧ ℎ = 250 → = 0.44 Como son funciones lineales se obtiene: PROBLEMA 1.52 Al analizar el funcionamiento de un sistema térmico el ingeniero debe ser capaz de identificar los procesos de transferencia de calor relevantes. Sólo entonces es posible cuantificar de forma apro- piada el comportamiento del sistema. Para los siguientes sistemas, identifique los procesos perti- nentes designándolos mediante flechas etiquetadas apropiadamente en un bosquejo del sistema. Conteste las preguntas adicionales que aparecen en el planteamiento del problema. Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 91 Fundamentos de Transferencia de Calor (a) Identifique los procesos de transferencia de calor que determinan la temperatura de un pavimento de asfalto en un día de verano. Escriba un balance de energía para la superficie del pavimento. (b) Se sabe que la radiación de microondas es transmitida por plásticos, vidrio y cerámicas, pe- ro es absorbida por materiales que tienen moléculas polares como el agua. Las moléculas de agua expuestas a la radiación de microondas se alinean e invierten la alineación con la radiación de microondas a frecuencias por arriba de , ocasionando que se genere calor. Compare el acto de cocinar en un horno de microondas con el de cocinar en un horno convencional de radiación o en uno de convección. En cada caso, ¿cuál es el meca- nismo físico responsable de calentar la comida? ¿Cuál horno tiene la mayor eficiencia de utilización de la energía? ¿Por qué?. El calentamiento por microondas se está considerando para el secado de ropa. ¿En qué diferiría la operación de una secadora convencional? ¿Cuál es probable que tenga la mayor eficiencia de utilización de energía y por qué? (c) Considere una parte de su cuerpo expuesta (por ejemplo, su antebrazo si viste una playera de manga corta) mientras está sentado en una habitación. Identifique todos los procesos de transferencia de calor que ocurren en la superficie de su piel. Para conservar combusti- ble y recursos, la esposa del ingeniero insiste en mantener el termostato de su casa en 15℃ (59℉) en los meses de invierno. El ingeniero es capaz de tolerar esta condición si la temperatura del aire ambiental exterior está por encima de –10℃ (14℉), pero se queja de tener frío si la temperatura ambiente cae muy por abajo de este valor. ¿Está imaginando cosas el ingeniero? (d) Considere una fuente de luz incandescente que consiste en un filamento de tungsteno en- cerrado en un bulbo de vidrio lleno de gas. Suponiendo una operación de estado estable con el filamento a una temperatura de aproximadamente 2900 K, elabore una lista de to- dos los procesos de transferencia de calor pertinentes para (i) el filamento y (ii) el bulbo de vidrio. (e) Hay considerable interés por desarrollar materiales de construcción con aislamiento de mejor calidad. El desarrollo de tales materiales contribuirá mucho a la conservación de la energía reduciendo los requerimientos de calentamiento espacial. Se sugiere que sería po- sible obtener calidades estructurales y de aislamiento superiores con el compuesto que se muestra. El material consiste en un panal, con celdas de sección transversal cuadrada, in- tercaladas entre losas sólidas. Las celdas están llenas de aire, y las losas, así como la matriz del panal, se fabrican con plásticos de baja conductividad térmica. Identifique todos los procesos de transferencia de calor pertinentes para el funcionamiento del compuesto. Su- giera formas en las que sería posible mejorar este funcionamiento. Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 92 Fundamentos de Transferencia de Calor (f) Se usa la unión de un termopar para medir la temperatura de un chorro de gas caliente, que fluye a través de un canal, insertando la unión en el chorro de gas. La superficie del ca- nal se enfría de modo que su temperatura está por debajo de la del gas. Identifique los procesos de transferencia de calor asociados con la superficie de la unión. ¿La unión perci- birá una temperatura menor, igual o mayor que la del gas? Una coraza de radiación es un tubo pequeño de extremos abiertos que encierra la unión del termopar, pero que permite el paso del gas. ¿Cómo mejora el uso de tal coraza la precisión de la medición de la tempe- ratura? (g) Una pantalla de vidrio doble contra fuego se inserta entre el hogar de una chimenea y el in- terior de una habitación. La pantalla consiste en dos placas verticales de vidrio separadas por un espacio a través del cual puede fluir aire de la habitación (el espacio está abierto en la parte superior y en la inferior). Identifique los procesos de transferencia de calor asocia- dos con la pantalla contra fuego. Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 93 Fundamentos de Transferencia de Calor SOLUCIÓN 1.52 (a) Esquema: Balance de energía: (Superficie de control) ″ − ( ″ + ″ + ″ ) = 0 Dónde: • ″ : es calor transferido a causa de radiación solar. • ″ : Radiación emitida de la superficie al aire. • ″ : Transferencia de calor por convección de la superficie al aire. • ″ : Transferencia de calor por conducción hacia el asfaltado. (b) • La cocina de microondas se produce como resultado de la generación volumétrica de ener- gía térmica a través de la comida, sin calentar el recipiente de comida o la pared del horno, lo cual ocurre en un horno convencional el cual está basado en la transferencia de calor por radiación de las paredes del horno y/o transferencia de calor por convección desde el es- pacio de aire a la superficie de la comida. Por tanto la cocina de microondas es más eficien- te. • En un secador de microondas, la radiación de microondas que calienta el agua, pero no la tela, directamente (el tejido que se calienta indirectamente por la transferencia de energía del agua). Al calentar el agua, la energía que van directamente a la evaporación a diferen- cia de un secador convencional, donde las paredes y el aire se calientan eléctricamente o por un calentador a gas, luego se transfiere a la ropa mojada. Es por esto que será más efi- caz y tendrá mayor eficiencia que el secador convencional. (c) Esquema: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 94 Fundamentos de Transferencia de Calor Procesos de transferencia de calor: ″ : Transferencia de calor por convección de la piel al aire del cuarto. ″ : Radiación entre la superficie de la piel y los alrededores (paredes del cuarto). • No está imaginando cosas, a pesar de que el aire de la habitación se mantiene a una tem- peratura fija ( ∞ = 15℃), la temperatura de la superficie interior de las paredes exterio- res, , disminuye al disminuir la temperatura del aire exterior. Sobre la exposición a es- tos muros, la pérdida de calor será mayor debido al incremento de . (d) Esquema: Los procesos asociados al filamento y el bulbo: , : Radiación emitida por el filamento de tungsteno, (una porción se transmite a través del vidrio). , : Convección libre del filamento al aire ( , < ). ,, : Radiación emitida por la superficie interna del vidrio, una porción de ésta es interceptada por el filamento. ,, : Convección libre del aire a la superficie interna del bulbo ( , < , ). , : Conducción a través de la pared del bulbo. ,,0 : Convección libre de la superficie externa del vidrio hacia el aire del cuarto Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 95 Fundamentos de Transferencia de Calor ,, : Radiación neta entre la superficie externa del vidrio y los alrededores ( ,0 > ). (e) Esquema: Del esquema del panal con celda cuadrada, suponiendo que , > ,0 , la transferencia de calor será según el gráfico. , : Conducción a través de las losas internas. ,ℎ : Convección libre a través del espacio de aire en la celda. ,ℎ : Conducción a través de la pared del panal. ,ℎ : Radiación entre superficies del panal. ,0 : Conducción a través de la losa externa. • El calor puede ser transferido a la superficie interna por convección y radiación ( , ∧ , ) de igual modo se pierde hacia la parte externa con ,0 ∧ ,0 . Para mejorar el funcionamiento, se logra al usar materiales de baja conductividad térmica y emisividad, al evacuar el aire y no permitir la transferencia de calor por convección libre. (f) Esquema: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 96 Fundamentos de Transferencia de Calor Suposiciones: a) La unión es pequeña en relación a las paredes del canal. b) Estado estacionario. c) Insignificante calor transferido por los cables del termopar. • Los procesos de transferencia de calor: : Radiación entre la junta o unión y las paredes. : Convección desde el gas hacia la unión o junta. • Balance de energía en la unión: = → ℎ. � − � = . . � 4 − 4 � < < (Satisface el balance) • El error de medición � − � se reduce mediante el uso de un protector de radiación. En- tonces la unión intercambia radiación con el protector, cuya temperatura debe ser superior a la de la pared. Por tanto se reduce la pérdida de radiación de la unión y su temperatura se aproxima más a la del gas. (g) Esquema: Procesos de transferencia de calor: 1 : Condición a través la primera placa. 2 : Conducción a través la segunda placa. 1 : Convección entre la chimenea y la placa interna. 2 : Convección a través del aire entre las dos placas. Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 97 Fundamentos de Transferencia de Calor 3 : Convección entre la superficie externa de la placa externa y el aire del cuarto. 1 : Radiación de las flamas y las paredes de la cavidad (Chimenea). 2 : Emisión de la superficie interna de la placa interna hacia la chimenea. 3 : Radiación neta entre la superficie externa de la placa interna y la superficie interna de la placa externa. 4 : Radiación neta entre la superficie externa de la placa externa y las paredes del cuarto. PROBLEMA 1.53 Al considerar los siguientes problemas referentes a la transferencia d calor con el ambiente natu- ral (exterior), s reconoce que la radiación solar tiene componentes de longitud de onda larga y corta. Si esta radiación incide sobre un medio semitransparente, como el agua o el vidrio, le suce- derán dos cosas a la parte no reflejada de la radiación. El componente de longitud de onda larga será absorbido en la superficie del medio, mientras que el componente de longitud de onda corta será transmitido por la superficie. (a) El número de vidrios de una ventana puede influir de manera muy notable en la pérdida o transferencia de calor de una habitación caliente al aire ambiente exterior. Compare las unidades de un solo vidrio y de los vidrios que se muestran identificando los procesos de transferencia de calor relevantes para cada caso. Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 98 Fundamentos de Transferencia de Calor (b) En un colector solar plano típico, la energía se colecta mediante un fluido de trabajo que se hace circular a través de tubos que están en buen contacto con la cara posterior de una placa de absorción. La cara posterior está aislada de los alrededores, y la placa de absor- ción recibe la radiación solar sobre la cara frontal, que normalmente está cubierta por una o más placas transparentes. Identifique los procesos de transferencia de calor relevantes, primero para la placa de absorción sin cubierta y después para la placa de absorción con cubierta de una sola placa. (c) El diseño de colector de energía solar que se muestra en la figura siguiente se utiliza en aplicaciones de agricultura. Se hace circular aire a través de una tubería larga de sección transversal que tiene la forma de un triángulo equilátero. Un lado del triángulo se compo- ne de una cubierta semitransparente de dos vidrios, mientras que los otros dos lados están construidos con hojas de aluminio pintadas de negro mate en el lado interno y cubiertas en el exterior con una capa de aislante de espuma de poliuretano. Durante los periodos so- leados, el aire que entra en el sistema se calienta para que vaya a un invernadero, una uni- dad de secado de granos o un sistema de almacenamiento. Identifique todos los procesos de trasferencia de calor asociados con los vidrios de la cu- bierta, las placas de absorción y el aire. (d) Los colectores solares de tubos al vacío son capaces de dar mejor rendimiento en relación con los colectores planos. El diseño consiste en un tubo interior encapsulado en un tubo externo que es transparente a la radiación solar. El espacio anular entre los tubos está al vacío. La superficie opaca exterior del tubo interior absorbe la radiación solar, y un fluido de trabajo pasa por el tubo para colectar la energía solar. El diseño del colector por lo ge- neral consiste en una fila de estos tubos acomodados frente a un panel reflector. Identifi- que que todos los procesos de transferencia de calor relevantes para el funcionamiento de este dispositivo. Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 99 Fundamentos de Transferencia de Calor SOLUCIÓN 1.53 (a) Esquema: • Procesos de transferencia relevantes: 1 : Convección del aire del cuarto a la superficie interna del primer vidrio. 1 : Intercambio de radiación neta entre paredes del cuarto y superficie interna del primer panel de vidrio. 1 : Conducción a través del primer panel de vidrio. , : Convección a través del espacio de aire entre los paneles de vidrio. , : Intercambio de radiación neta, la superficie externa del primer vidrio y la superficie inter- na del segundo. Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 100 Fundamentos de Transferencia de Calor 2 : Conducción a través de la segunda placa de vidrio. 2 : Convección de la superficie externa de la placa (unitaria o segunda) de vidrio al ambiente de aire. 2 : Intercambio de radiación neta entre superficie externa de la placa (sola o la exterior) y el ambiente (alrededores). : Radiación solar incidente durante un día. (b) Esquema: • Procesos de transferencia: : Radiación solar incidente. ,∞ : Intercambio de radiación neta entre placa de cubierta o placa de absorción y alrededo- res. ,∞ : Convección de la placa de absorción o placa de cubierta y el ambiente de aire. ,− : Intercambio de radiación neta entre las placas; de absorción y de cubierta. ,− : Convección a través del aire entre la placa de cubierta y de absorción. : Conducción a través del aislante. : Convección hacia el fluido de trabajo. (c) Esquema: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 101 Fundamentos de Transferencia de Calor Asumiendo que las temperaturas de las placas de absorción son mayores que la temperatura del aire. Los procesos relevantes serán: ,− : Convección desde el espacio interior a la superficie interna. ,− : Transferencia de radiación neta de la placa de absorción a la superficie interna. ,−0 : Convección a través del espacio de aire entre las placas. ,−0 : Transferencia de radiación neta de la placa interior a la cubierta exterior. ,−∞ : Convección de la cubierta exterior al ambiente de aire externo. 0 : Transferencia de radiación neta de la cubierta externa hacia los alrededores. : Radiación solar incidente. • Adicionalmente , : Radiación solar transmitida por las cubiertas. ,− : Convección desde la placa de absorción y el espacio interno. : Conducción a través del aislante. (d) Esquema: Web site: www.qukteach.com e-mail:
[email protected] Pág. 102 Fundamentos de Transferencia de Calor • Los procesos de transferencia relevantes serán: : Radiación sola incidente, incluido la reflexión. , : Convección de superficie externa hacia el ambiente externo. ,− : Intercambio de radiación neta entre la superficie externa (tubo externo) y los alrede- dores. , : Radiación solar transmitida a través del tubo externo e incidente. ,−0 : Intercambio de radiación neta entre la superficie interna del tubo externo y la superficie externa del tubo interno. , : Convección hacia el fluido de trabajo, desde el tubo interno.