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Problemas Tema 8

8.1. Un tanque de acero bajo en carbono con una pared de 10 mm de espesor contiene agua a 90 ºC. Calcular la pérdida de calor por hora y m2 a través de la pared del tanque cuando la temperatura ambiente es de 15º C. El coeficiente de conductividad calorífica del acero es de 50 W/(m K) y los coeficientes de transmisión de calor superficiales interior y exterior del tanque son, respectivamente, 2.800 y 11 W/(m2 K). Calcular también la temperatura de la superficie exterior del tanque.

(R:2.950 kJ/(h m2); 362,75 K).

8.2. Una tubería de acero de 100 mm de diámetro interior y 7 mm de espesor de pared, que conduce vapor de agua a 260 ºC está aislada con un revestimiento de tierra de diatomeas de 40 mm, sobre el cual se encuentra otro de fieltro de amianto de 60 mm. Si la temperatura ambiente es de 15 ºC, calcular la velocidad de pérdida de calor por metro de tubería. Los coeficientes de transmisión de calor superficiales interior y exterior son, respectivamente, 550 y 15 W/(m2 K) y el coeficiente de conductividad calorífica del acero, tierra de diatomeas y fieltro de amianto, 50, 0,09 y 0,07 W/(m K), respectivamente. Calcular también la temperatura de la superficie exterior.

(R: 116 W/m; 22,8 ºC).

8.3. Calcular el coeficiente de transmisión de calor por convección para el agua que fluye a través de un tubo de 25 mm de diámetro a una velocidad de 1,5 kg/s, cuando la temperatura media de la masa de agua líquida es de 40 ºC. Para el flujo turbulento de un líquido se cumple que:

Nu = 0,0243 Re0,8 Pr0,4

La dimensión característica de longitud es el diámetro del tubo y todas las propiedades son evaluadas a la temperatura media de la masa de agua líquida.

(R: 12,51 kW/(m2 K).

8.4. Las paredes de un horno se construyen con un espesor de 150 mm de un refractario cuya conductividad calorífica es 1,5 W/(m K) Las temperaturas de las superficies interior y exterior del refractario son, respectivamente, 1.400 y 540 K. Si se añade una capa de material aislante de 25 mm de espesor y conductividad calorífica de 0,3 W/(m K), ¿Qué temperaturas alcanzarán las superficies del mismo suponiendo que la superficie interior del horno se mantiene a 1.400 K? El coeficiente de transmisión de calor desde la superficie exterior del aislamiento hacia los alrededores, que están a 290 K, se puede tomar como: 4,2, 5,0, 6,1, y 7,1 W/(m2 K) para temperaturas de la superficie de 370, 420, 470 y 520 K, respectivamente. ¿Cuál será la reducción de las pérdidas de calor?

(R: 662 y 995 K; reducción: 52,9%).

8.5. Se transmite calor desde una corriente de fluido a otra a través de una superficie. Si los coeficientes de película para los dos fluidos son, respectivamente, 1,0 y 1,5 kW/(m2 K), el metal tiene un espesor de 6 mm y conductividad calorífica de 20 W/(m K), y el coeficiente de la costra es equivalente a 850 W/(m2 K), ¿Cuál es el coeficiente global de transmisión de calor?

(R: 317,5 W/(m2 K).

8.6. Los gases de salida que fluyen a través de un intercambiador tubular de calor a una velocidad de 0,3 kg/s son enfriados de 400 ºC a 120 ºC por agua, que inicialmente se encuentra a 10 ºC. Las capacidades caloríficas de los gases de salida y del agua pueden tomarse como 1,13 y 4,19 kJ/(kg K), respectivamente. El coeficiente global de transmisión de calor de los gases al agua es de 140 W/(m2 K). Calcular el área de la superficie requerida cuando el flujo de agua es de 0,4 kg/s para: a) circulación en paralelo; b) circulación en contracorriente.

(R: 4,01 y 3,37 m2).

8.7. La figura representa dos cambiadores de calor, a los que se alimentan, como se indica en la misma, 6.000 kg/h de un fluido a 90 ºC, de capacidad calorífica 0,85 kcal/(kg K), que se desea enfriar utilizando 10.000 kg/h de un fluido frío, de capacidad calorífica 1 kcal/(kg K), que entra a 15 ºC y sale, en ambos cambiadores a 33 ºC. Se supone que los caudales másicos se reparten por igual para ambos cambiadores. Se estima que éstos tienen un coeficiente global de transmisión de calor de 500 kcal/(m2 h K). Calcular la longitud que debe tener cada cambiador si su diámetro es de 3 cm. (R: 39,93 y 44,44 m).

8.8. En un cambiador de calor con flujo en contracorriente, se han de enfriar 1,25 kg/s de benceno (capacidad calorífica 1,9 kJ/(kg K) y densidad relativa 0,88) desde 350 hasta 300 K, utilizando agua a 290 K. En el cambiador se emplean tubos de 25 mm de diámetro externo y 22 mm de diámetro interno, circulando el agua a través de los tubos. Si los coeficientes de película para el agua y para el benceno son 0,85 y 1,70 kW/(m2 K), respectivamente, ¿Cuál será la longitud de los tubos si se ha de utilizar la cantidad mínima de agua y su temperatura no ha de ascender por encima de 320 K? (K para el acero de los tubos = 45 W/(m K).

(R: 165,6 m).

8.9. Determinar el área de la superficie de transmisión que se necesita para que un intercambiador de calor construido con un tubo de 0,0254 m de diámetro exterior enfríe 6,93 kg/s de una solución de alcohol del 95% cuya capacidad calorífica es de 3,81 kJ/(kg K), desde 65,6 ºC hasta 39,4 ºC . Para ello se utilizan 6,3 kg/s de agua a 10 ºC. Suponer que el coeficiente global referido al área externa del tubo es de 568 W/(m2 K) y considérense cada uno de los siguientes montajes:

a)Tubo y carcasa en paralelo; b) Tubo y carcasa en contracorriente; c) Cambiador con 2 pasos de carcasa y 8 pasos de tubos; d) Flujo o circulación cruzada. Capacidad calorífica del agua 4,18 kJ/kg K.

(R: 66,2; 41,4; 42,7 y 45 m2).

8.10. Mi vecino no puede resistirse a las subastas, y la última semana compró el acorazado de la Segunda Guerra Mundial USS Iowa. Tiene grandes planes para esta reliquia de guerra y desea llevarlos a cabo tan pronto como sea posible. Una de sus ideas es construir una pista de patinaje, utilizando las planchas de acero; el suelo de la pista consistirá en una doble capa de planchas de acero a corta distancia, circulando un fluido refrigerante entre ellas, y el hielo encima. Es importante que no forme agua en la superficie del hielo. Con esta restricción en mente, y sin tener en cuenta la contribución de la radiación, calcular el espesor máximo que puede tener la capa de hielo y el intercambio de calor en W m-2. El refrigerante está a -18 ºC; la temperatura ambiente es de 20 ºC; la conductividad térmica del hielo es 2,25 W m-1 K-1; en la convección libre del aire puede usarse la fórmula h = 1,5 , (W m-2 K-1). Si el espesor del hielo llega a ser de 0,225 m, ¿cuál será la temperatura en la superficie del mismo? ¿Qué espesor debe tener el hielo para que el intercambio de calor no sobrepase de 100 W m-2? y ¿cuál será la temperatura de su superficie en este caso?

(R: 0,5 m; 81,43 W m-2; -6,3 ºC; 0,33 m; - 3,3 ºC).

8.11. En el serpentín de un refrigerante formado por una tubería de acero de una pulgada de diámetro nominal entran 60 g s-1 de un aceite caliente. Por el espacio anular comprendido entre esta tubería y otra de mayor diámetro concéntrica con la anterior entra igual flujo de masa de agua de refrigeración, circulando el aceite y el agua en sentidos opuestos. El aceite entra a 420 K y ha de enfriarse hasta 320 K. Si el agua entra a 290 K, ¿qué longitud de tubería se necesitaría? Los coeficientes individuales de transmisión del calor del lado del aceite y del lado del agua son, respectivamente, 1,6 y 3,6 kW m-2 K-1. cp aceite = 2,0 kJ kg-1 K-1; cp agua = 4,18 kJ kg-1 K-1. Conductividad térmica del acero = 51,2 W m-1 K-1. Diámetro interno de la tubería 26,7 mm; Diámetro externo de la tubería 33,4 mm.

(R: 2,5 m).

Citation: (course_default). (2008, April 25). pagina_06. Retrieved April 16, 2014, from ocwus Web site: http://ocwus.us.es/arquitectura-e-ingenieria/operaciones-basicas/contenidos1/tema8/pagina_06.htm.
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