GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA (GR. 1, 4) CURSO 2013

GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA (GR. 1, 4)
Enunciados de problemas de Transmisión de Calor
CURSO 2013-2014
Transferencia de calor por convección.
CONVECCIÓN FORZADA
12.1.- Determinar la distancia para la cual un flujo de aire pasa de laminar a turbulento cuando
el flujo de aire está a 77 C con una velocidad de 20 m/s a la presión de una atmósfera. (Se
toma como número de Reynolds de transición 500.000)
Datos: ρ = 0,998 kg/m3 μ = 2,075.10-5 kg/ms.
12.2.- Determinar el coeficiente de película local hx en una placa por la que fluye aire a 77 ºC
con una velocidad v = 4 m/s a la presión de 1 atmósfera, a una distancia l = 1 m.
Datos: ρ = 0,998 kg/m3,
v = 2,076.10-5 m2/s,
k = 0,03 W/mC,
Pr = 0,697.
12.3.- En una placa de 0,5 m de larga fluye etilglicol a 80 C con una velocidad v = 2 m/s, con
las siguientes propiedades: v = 2,98 10-6 m/s, k = 0,261 W/mC, Pr = 32,4. Determinar el
coeficiente de película medio.
12.4.- Aire a presión atmosférica fluye a 40 C y a la velocidad de 40 m/s, sobre una superficie
plana de 0,75 m de longitud y 0,5 m de ancho, la superficie se mantiene a 260 C, suponer el
aire incompresible.
a) Calcular el coeficiente de película medio de la placa con el aire.
b) Calcular el flujo de calor de la placa al aire.
c) Calcular la fracción de flujo de calor, que se transmite en régimen laminar.
Datos: ρ = 0,8342 kg/m3, k = 34,59.10-3 W/mC, v = 28,58.10-6 m2/s,
Pr = 0,701.
12.4.- A lo largo de una placa plana de 0,3 m de longitud que se mantiene a 10 C fluye glicerina
a 50 C y v = 3 m/s. Determina el calor transmitido a la placa por m de anchura. Qué porcentaje
de este calor se transmite a través de la zona laminar de la capa límite.
Datos: v = 18.10-4 m2/h
Pr = 5,38
k = 0,246 kcal/hmC.
12.5.- Calcular el coeficiente local de transmisión de calor que es de esperar en un punto
situado a 30 cm detrás del borde de ataque del ala de un avión que vuela a dos veces la
velocidad del sonido si la superficie del ala debe mantenerse a 93 C y la temperatura del aire
es de 15 C.
Datos: v = 18,4.10-6 m2/s
k = 28,1.10-3 W/mC
Pr = 0,7085
12.6.- Se dispone de placas planas de 5 x 3 x 0,2 m cuya temperatura superficial puede
mantenerse a -6,8 C, sumergidas en aire que fluye a 1 m/s y a 15,6 C. Se desea saber cual es
la disposición más idónea de las placas para que absorban el máximo de calor y cuantas
placas hay que poner si se desean evacuar 10200 kcal/h.
12.7.- Un metal líquido cuya composición es 44 % K y 56 % Na, fluye con velocidad de 0,1 m/s
sobre una placa plana suficientemente larga. La temperatura de la capa límite es de 100 C.
a) Determinar la distancia desde el borde de ataque, a la cual ocurre la transición entre
flujo laminar y flujo turbulento, sabiendo que éste comienza cuando Re = 500.000.
b) Calcular el coeficiente de película local a 3,175 m.
12.8.- A través de una tubería normal de 25 mm de diámetro fluye aceite tipo SAE-50 a la
velocidad de 0,3 m/s. Este aceite se encuentra a 160 C y la superficie de la tubería a 150 C. Si
la tubería tiene 2 m de longitud, ¿cuál es el coeficiente promedio de película en su superficie?
Si la tubería tiene 6 m. de longitud, ¿cuál sería el coeficiente de película?
GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA (GR. 1, 4)
Enunciados de problemas de Transmisión de Calor
CURSO 2013-2014
12.9.- Por el interior de una tubería de 5 cm de diámetro y 10 m de longitud circula agua a 10 C
con velocidad de 3 m/min. Determinar el coeficiente de transmisión superficial sabiendo que la
temperatura de la superficie interna de la tubería es de 15,5 C.
12.10.- Una tubería de acero 1 % de C 28 mm de diámetro exterior y 2 mm de espesor,
atraviesa un local cuya temperatura ambiente es de 20C, siendo el coeficiente de película
exterior de 11,63 W/m2C. Si la tubería transporta agua saturado a 110 C, circulando a 1 m/s,
determínese las pérdidas de calor por metro de tubería. (K = 43 W/mC.)
12.11.- Por el interior de un tubo de aluminio (k = 204 W/mC) de 30/32 mm de diámetro se
transporta agua de calefacción a 90 C y velocidad de 60 m/minuto. Sabiendo que la
temperatura del aire que le rodea es de 40 C y posee un coeficiente de película hext de 5
W/m2C, determinar el flujo de calor que se disipará por metro lineal de conducción.
12.12.- A través del espacio anular formado por dos tuberías de hierro forjado k = 49 kCal/hmC
de 30 y 60 mm de diámetro exterior respectivamente y espesor 1,5 mm, circula agua a 60 C
con velocidad de 1 m/s mientras que por el interior circula agua saturada a 100 C y 2 m/s, se
desea saber el flujo de calor por unidad de longitud de tubería que intercambiarán los fluidos.
12.13.- Por un conducto rectangular de 25 cm x 50 cm y 20 m de longitud circula aire a 15,6 ºC
y velocidad 0,3 m/min. Si la superficie interior del conducto se mantiene a 26,7 ºC. Determinar:
a) El coeficiente de película.
b) El flujo de calor que absorberá el aire al circular por el conducto.
12.14.- Se precisa determinar las pérdidas de calor en los conductos de aire acondicionado de
una instalación, empezando el estudio por el último tramo formado por 10 m de conducto de
aluminio puro de 10 cm de diámetro interior y 2 mm de pared (197 kcal/h·m·ºC) circulando el
aire a 0,4 m/s, la temperatura del aire que fluye por su interior deberá ser de 60C, atraviesa una
cámara que se encontrará a 20C, se ha podido determinar he que vale 5 kcal/h·m2·ºC.
¿Cuántas son las pérdidas horarias en dicho tramo?
12.15.- En un reactor nuclear se emplea una mezcla líquida, 44% K y 56% Na, como medio de
transmisión de calor si la temperatura de la mezcla es de 370 C y su velocidad de 6 m/s,
calcular el coeficiente de película que se obtiene en la superficie interna de una tubería de
23 mm de diámetro interior.
12.16.- Mercurio fluye a lo largo de un tubo de 20 mm de diámetro interior a razón de 12 kg/s.
El mercurio entra a 12C y se calienta hasta 28C al pasar por el tubo. Si el flujo de calor desde
la pared es constante, y ésta tiene una temperatura promedio de 40C, determínese la longitud
del tubo. Si el caudal de mercurio se reduce a 1 kg/s, ¿qué longitud sería necesaria?
12.17.- Aire a 27 C fluye transversalmente sobre un tubo de 30 mm de diámetro exterior, que
transporta agua y se mantiene a 77 C la superficie, la velocidad del aire es de 1 m/s. Calcular el
coeficiente medio de transmisión de calor, aplicando dos métodos diferentes.
12.18.- Aire atmosférico pasa perpendicular a un tubo horizontal de 20 mm de diámetro con
una velocidad promedio de 30 mm/s. El tubo se mantiene a 127 C y la temperatura media del
aire es de 27 C. Calcular la cantidad de calor transferido por metro de tubo.
12.19.- Determinar la velocidad mínima del paso de aceite SAE-50, a 120 C, alrededor de una
resistencia cilíndrica de 10 mm de diámetro cuando el flujo es transversal, sabiendo que la
superficie de la resistencia no puede superar los 180 C y que la densidad del flujo exterior a
través de la resistencia es de 4 W/cm2.
12.20.- Un eje cuadrado de 10 mm de lado gira lentamente a velocidad constante. La
temperatura del eje es 225 C y el aire atmosférico fluye a 25 C normal al eje a una velocidad de
25 km/h. Calcular el flujo de calor por metro.
GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA (GR. 1, 4)
Enunciados de problemas de Transmisión de Calor
CURSO 2013-2014
12.21.- Un haz de tubos en línea consta de 19 filas de tubos de 25 mm de diámetro exterior con
12 tubos en cada fila (en la dirección del flujo). El espaciamiento entre tubos es de 38 mm en la
dirección normal al flujo y 31 mm en la dirección paralela. La temperatura de los tubos se
mantiene a 125 C. A través del haz de tubos fluye aire a 25 C con una velocidad de 9 m/s.
Calcular el flujo de calor por metro de haz.
12.22.- Calcular el coeficiente de película de una bombilla incandescente esférica que está a
127 C, sometida a una corriente de aire a 27C con velocidad 0,3 m/s. Diámetro de la esfera 50
mm.
12.23.- En una torre de refrigeración las gotas de agua están a una temperatura de 80 C y
tienen un diámetro promedio de 1,5 mm. La corriente de aire se mueve a una velocidad de 1
m/s respecto de las gotas de agua y tiene una temperatura de 20 C. Determinar el coeficiente
de transferencia por convección, h.
12.24.- Una pared de 25 m de longitud está formada por las siguientes capas:
1 pie de ladrillo macizo (25 cm):
K = 0,6 Kcal/h·m·C
Cámara de aire:
C = 1/R = 5 Kcal/h·m2·C
1/2 pie de ladrillo macizo (12 cm):
K = 0,6 Kcal/h·m·C
Enlucido de yeso (2 cm ):
K = 0,4 Kcal/h·m·C
Esta pared se encuentra sometida a la acción de un viento de 20 Km/h de velocidad y 0 C de
temperatura. Sabiendo que el coeficiente de transmisión superficial interior vale 10 Kcal/h·m2·C,
determinar las pérdidas horarias por unidad de superficie a través de la pared cuando la
temperatura interior es de 20 C.
CONVECCIÓN NATURAL
12.25.- Una placa vertical tiene una temperatura uniforme de To = 120 C, está en contacto con
aire a presión atmosférica y 24 C, si suponemos que la transformación de régimen laminar a
turbulento se sitúa para el número de Grashof de 4.108. Determinar el lugar donde cambia el
régimen de laminar a turbulento.
12.26.- Calcular el coeficiente de película, suponiendo convección natural, para una placa
vertical de 0,3 m de altura, cuya temperatura se mantiene uniformemente a 80 C, que está en
contacto con aire a presión atmosférica y temperatura 24 C.
12.27.- Un cilindro vertical de diámetro 5 dm y 1,5 m de altura, tiene una temperatura uniforme
de 100 C. Si está expuesto al aire a presión atmosférica y temperatura 20 C, calcular el calor
transmitido por convección natural.
12.28.- Un calentador eléctrico plano de 0,25 m disipa calor por convección natural de forma
constante por una cara a razón de 600 W/m2, está sometido a una temperatura ambiente de 30
C. Determina la temperatura superficial de la placa.
12.29.- Una resistencia eléctrica exterior de diámetro 2,5 cm y longitud 2 m, disipa calor a la
atmósfera que está a 20 C. Si la temperatura superficial es de 230 C, determinar el flujo de
calor transmitido al aire.
12.30.- Realizar el problema 12.26 suponiendo que la placa plana esta horizontal, siendo la
longitud de la placa de 0,5 m, y considerando que la superficie que disipa calor es la superior.
12.31.- Una esfera de diámetro 5 mm tiene una temperatura superficial uniforme de 60 C, está
inmersa en agua a 20 C. Calcular el flujo de calor por convección natural.
GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA (GR. 1, 4)
Enunciados de problemas de Transmisión de Calor
CURSO 2013-2014
12.32.- Una placa horizontal de 20 cm x 30 cm, se encuentra a una temperatura superficial de
30 C, en su cara inferior se somete a1 ambiente con una temperatura de 10 C, calcular el
coeficiente de película.
12.33.- Dos placas verticales de 0,5 m por 0,5 m separadas 3 cm, poseen en el espacio entre
ambas aire a presión atmosférica, si las placas se mantienen a 100 C y 250 C. Calcular la
transmisión de calor entre ambas.
12.34.- Dos placas horizontales largas, separadas 5 cm, teniendo aire a presión atmosférica,
que se mantienen a 100 C la inferior y 30 C la superior. Determinar la transferencia de calor
entre placas por convección natural.
12.35.- Dos placas horizontales separadas 2 cm., teniendo agua entre ambas, se mantienen a
la temperatura de 130 C la inferior y 30 C la superior. Determinar la transferencia de calor por
metro cuadrado, por convección natural.
12.36.- Dos esferas concéntricas de diámetros D 1 = 10 cm y D 2 = 14 cm, contienen aire a la
presión atmosférica. Calcular el calor transmitido, entre las esferas por convección natural, si la
diferencia de temperatura entre las dos esferas es de 50 C y la temperatura de una de ellas es
27 C.