Ejercicios para CONVECCIÓN Tipo Prueba

1.    Una tubería que conduce vapor a 5atm y a 120°C cruza un ambiente a 15°C. La  tubería es de acero (k= 38 W/mK) de 2,5 pulg de diámetro exterior  y 1/8 pulg de espesor. Sabiendo que los coeficientes de convección son h_vapor = 10000 W/m²K   y   el h_aire= 25 W/m²K. Calcular la pérdida de calor por metro lineal de tubería y evaluar cuánto se perdería al colocar 5cm de un aislante y de k=0,12 W/mK.                                                                                             
                                                                                                   

2.    Un tanque contiene melaza a 60°C (h_o= 90 W/m²K) mediante un sistema de calefacción compuesto de un serpentin de 50m cobre (k=186 W/mK) de 1 ^½ pulg de diámetro exterior y de 1/16 pulg de espesor por el que circula vapor saturado a 120°C (18000 W/m²K)|. Después de varias operaciones se observa que el exterior del tubo se ha formado de manera uniforme  una costra de 1,5 mm de composición indefinida y que ha disminuido en 20% la transferencia de calor respecto a su valor inicial. Calcule la conductividad de la costra.                

3.    Una habitación se encuentra a una temperatura de 24°C mientras en su exterior está a -5°C. Las paredes son de ladrillo de 25 cm de espesor. El propietario desea saber cuánto será la perdida de calor por metro cuadrado de pared sabiendo que se le coloca una pared de 12 cm de espesor en paralelo conformada por dos tipos de poliuretano de conductividades 0,21 y 0,16 W/mK respectivamente. Asuma los coeficientes de convección del aire como h_i= 26 W/m²K  y h₀= 38 W/m²K. (kladrillo= 15 W/mK).                                                                                                          

4.    La ventana delantera de un automóvil está sometido a una temperatura ambiente de -10 ºC y con un coeficiente h₀ de 65 W/m2 K ; se desempaña mediante el paso de aire caliente, sobre su superficie interna. Si el aire está a 40 ºC con un coeficiente de convección h_i = 30 W/m2 K. Calcular las temperaturas de las superficies interna y externa de la ventana de vidrio (k= 1,4 W/mK) de 4 mm de espesor.                                                                                                      

5.    A través de un tubo de acero (AISI 1010 k= 400 W/mK), de 60 mm de diámetro interior y 75 mm de diámetro exterior, fluye vapor a una temperatura de 250°C. El coeficiente de convección entre el vapor y la superficie interna del tubo es 500 W/m2·K, mientras que entre la superficie externa del tubo y los alrededores es 25 W/m2·K. La temperatura del aire y los alrededores es 20°C. ¿Cuál es el % de pérdida de calor por unidad de longitud de tubo si se le coloca 5 cm de un aislante de conductividad térmica 0,09 W/mK?                                                                  

6.    Un contenedor metálico esférico de pared muy delgada* se utiliza para almacenar nitrógeno líquido a 77 K (gas en reposo). El contenedor tiene un diámetro de 0.5 m y está cubierto de un aislante reflector al vacío compuesto de polvo de dióxido de silicio (k = 0.0017 W/mK). El aislante tiene un espesor de 25 mm, y la superficie externa se expone al aire del ambiente a 300 K. Se sabe que el coeficiente de convección es 20 W/m²⋅K. La entalpía de vaporización y la densidad del nitrógeno líquido es de 2.10⁵ J/Kg y 804 Kg/m3 respectivamente. (a)¿Cuál es la transferencia de calor al nitrógeno líquido? (b)¿Cuál es la velocidad a la que se evapora el nitrógeno en litros/día? 

                                                                                                   

  (*) Se desprecia el espesor del contenedor esférico, no hay resistencia por conducción a través del metal

Convección: Ejercicios tipo Taller

A.    Una tubería para vapor (k= 1,2 W/m °C) de 0.12 m de diámetro exterior y 0,4 m de diámetro interior, se aísla con una capa de silicato  de calcio (k= 0,07 W/m °C)  . (a) Si el aislante tiene 20 mm de espesor y las superficies interna y externa se mantienen a T_s1 = 800 K y Ts ₂ = 490 K, respectivamente, (a)¿cuál es la pérdida de calor por unidad de longitud  de la tubería? (b) Cuánto será la pérdida de calor y temperatura externa de la superficie Ts, 2, cuando ésta se expone a un flujo de aire (T∞ = 25 °C) que mantiene un coeficiente de convección de h = 25 W/m²·K

B.     Se tiene un calentador de resistencia eléctrica en forma de un cilindro largo de 30 mm de diámetro, que cuando fluye agua a una temperatura de 25°C cruzando el cilindro, la cantidad de calor por unidad de longitud que se requiere para mantener la superficie del calentador a una temperatura uniforme de 90°C es de 28 W/m. En el caso de que al rededor del calentador fluye aire(en vez de agua), también a 25°C, pero con menor velocidad, la cantidad de calor por unidad de longitud que se requiere para mantener la misma temperatura superficial es de 400 W/m. Calcule y compare los coeficientes de convección para los flujos de agua y aire.

C.  La superficie de una pared de 10 mm de ancho de acero inoxidable (k = 15 W/m·K) se mantiene a 90°C, mientras que la superficie opuesta se expone a un flujo de aire para el que T∞ = 20°C y h = 25 W/m2·K. ¿Cuál es la t emperatura de la superficie adyacente al aire?

D.   Si la superficie de la mano se considera a una temperatura de 30°C, determine el flujo de calor por convección para (a) una velocidad del vehículo de 35 km/h en aire a -5°C con un coeficiente de convección de 40 W/m2·K y (b) una velocidad de 0.2 m/s en una corriente de agua a 10°C con un coeficiente de convección de 900 W/m2·K. ¿En cuál condición se sentiría más frío?

E.   La ventana delantera de un automóvil está sometido a una temperatura de aire ambiente de -10 ºC y con un coeficiente h de 65 w/m2K; se desempaña mediante el paso de aire caliente, sobre su superficie interna. Si el aire está a 40 ºC con un coeficiente de convección hi = 30 W/m2K. Calcular las temperaturas de las superficies interna y externa de la ventana de vidrio de 4 mm de espesor. Kvidrio: 1.4 W/mK. 
F.    Una tubería de acero (32 W/mK) que conduce vapor de agua a 5 atm y 120 °C, cruza un ambiente a 18 °C. La tubería es de acero de 8 pulg de diámetro exterior y 1 pulg de espesor de pared. Esta tubería se encuentra aislada por una capa de 5cm de un aislante de K= 0,12 W/m °C.   Calcular las pérdidas de calor por metro lineal de tubería, conociendo que los coeficientes de convección del vapor de agua y del aire son 9000 W/m² °C y 25 W/m² °C respectivamente.

G.    Una pequeña cava de refrigeración con temperatura de superficie interna -5 °C, tiene uno de sus lados de dimensiones 1,5 m de alto por 2 m de largo, expuesto a aire ambiente que se encuentra a 30°C  y tiene un coeficiente de convección de 28 W/m °C. La pared está formada internamente por 2 capas de distinto material pero de igual espesor de 10 cm, con constantes de 3,4 W/m y 0,7 W/m respectivamente. Calcular la pérdida de calor y en cuánto sería la reducción de ésta pérdida si el aire afuera cambia a una temperatura de 24 °C.

H.   Una tubería de 10 cm de diámetro interno y 12 cm de diámetro externo, está hecha de un material con k= 1,4 W/m°C , y lleva por dentro agua caliente  a T= 50 ° C con coeficiente de convección de 230 W/m °C.  Si externamente está expuesta a una corriente de aire de 20°C con h= 19 W/m°C. Calcule  la perdida de calor que se sufre por metro lineal y el % de reducción del calor si se coloca 3 cm de asbesto con k=0,09 W/m °C.