PORTAFOLIO MECANISMOS DE TRANSFERENCIA

Transcripción

1 PORTAFOLIO MECANISMOS DE TRANSFERENCIA EJERCICIO Disutir en lase las siguientes situaiones, tratando de identifiar todos los meanismos de transferenia involurados:. Un mehero unsen enendido, que se usa para hervir agua en un vaso de preipitado.. Una ola urva por parte de un lanzador de eisol (tamién ourre en algunos tiros en futol). 3. Haer aer agua de un reipiente a otro para que se enfríe. Plantear una uarta situaión de la vida otidiana que involuren algunos meanismos de transferenia. EJERCICIO En un experimento de laoratorio de meánia de fluidos, se vaía un tanque de diámetro D que tiene un nivel iniial de agua h 0. El agujero de drenaje está perfetamente redondeado y tiene diámetro d. El experimentador supone que el tiempo de vaiado t depende de D, d y h 0, así omo de la gravedad g, y de la densidad y visosidad del agua. Empleando el teorema pi de Bukingham, enontrar un onjunto de grupos adimensionales pertinentes a este experimento. tg d h D D D gd EJERCICIO 3 La onveión entre una esfera y un fluido en movimiento está araterizada por un parámetro llamado oefiiente de transferenia de alor por onveión (h, en W/m² K), que depende del diámetro de la esfera ( D ), la veloidad del fluido ( v ), y de las propiedades del fluido omo su densidad ( ), su visosidad ( ), su apaidad alorífia ( P, en J/kg K) y su ondutividad térmia ( k, en W/m K). Determinar un onjunto de números adimensionales para este aso. hd vd 3 P k vd k EJERCICIO 4 Los siguientes datos orresponden al diámetro de las urujas otenidas al inyetar aire en agua a 0 C a través de apilares de diversos diámetros: D (µm) D (mm) Datos otenidos de la Figura P.30 presentada en Middleman (998), An Introdution to Fluid Dynamis, Ed. Wiley, que a su vez ita a Blanhard y Syzdek (977), Chem. Eng. Si., 3, p. 09. donde D es el diámetro del apilar y D es el diámetro de las urujas produidas. Se ree que el diámetro de uruja adimensional D* D / D es funión del número de Bond Bo D g /, donde es la densidad del agua, g es la gravedad y es la tensión superfiial del agua. Para el agua tomar = 998 kg/m³ y = 0.07 N/m. D en funión de Bo. Generar una A partir de los datos de la tala, generar una gráfia de * segunda gráfia de D * en funión de Bo pero ahora en esala logarítmia. En estas dos gráfias, los datos deen apareer on símolos sin línea, ya que son datos experimentales disretos.

2 En ase a la segunda gráfia, se puede asumir que la relaión entre estos dos números adimensionales es de la forma D* a Bo, donde a y son dos onstantes. Para verifiar esta suposiión, en la segunda gráfia, agregar una línea de tendenia de potenia, para enontrar los valores de las onstantes y expresar la orrelaión usada de D * en funión de Bo. EJERCICIO 5 Se desea onstruir un tanque de almaenamiento de melaza de 8 m de diámetro, provisto de una tuería de salida de 0.3 m de diámetro, situada a. m de la pared lateral del tanque. La veloidad de vaiado dee ser 3 m³/min. Se sae por experienia que al extraer la melaza se forma un vórtie y que al disminuir el nivel del líquido, el vórtie alanza finalmente la tuería de salida, dando lugar a la suión de aire junto on la melaza, situaión que se desea evitar. D*.705Bo D = 8 m Se va a estudiar el sistema usando un tanque a esala reduida empleando agua (densidad g/m³, visosidad 0.00 Pa s) omo fluido del modelo. Determinar las dimensiones y las ondiiones de operaión del modelo, saiendo que la densidad de la melaza es.83 g/m³ y su visosidad es Pa s. El tanque dee medir.44 m de diámetro, la tuería de salida dee medir.4 m de diámetro y estar uiada a 9.6 m de la pared lateral, y el flujo de salida dee ser 5.43 L/min. EJERCICIO 6 La potenia (W ) requerida para aionar un ventilador se supone que depende de la densidad del fluido ( ), el flujo volumétrio ( Q ), el diámetro del impulsor ( D ), y la veloidad angular ( ). (A) Apliando el teorema pi de Bukingham, enontrar un onjunto de números adimensionales que involuren estos parámetros. Seleionar omo dimensiones ase D, y. (B) Si un ventilador on D = 8 plg operando a = 400 rpm proporiona un flujo de Q = 800 pie³/min de aire on un onsumo de potenia de.5 kw, qué flujo volumétrio de aire y onsumo de potenia podría esperarse para un ventilador geométriamente similar on D = 6 plg operando a = 850 rpm? (emplear los mismos números adimensionales que se enontraron en el iniso anterior) 4933 pie³/min,.9 kw d = 0.3 m Q = 3 m³/min EJERCICIO 7 Ejeriio lire Cada estudiante dee usar un ejeriio pertinente al ontenido de la unidad en alguna de las referenias iliográfias (no internet) y presentar su soluión. Indispensale inluir la opia de la página donde aparee el ejeriio (no se aeptan ejemplos resueltos) y los datos iliográfios del liro.

3 EJERCICIO 8 En ada uno de los asos siguientes, haer un osquejo del perfil de veloidades en flujo laminar, desriir paso a paso la transferenia de momentum que está ourriendo en el sistema, e identifiar uál omponente del esfuerzo ortante es diferente de ero y uál es su signo. (A) Flujo entre dos plaas planas paralelas deido a una diferenia de presión ( P0 PL ) (B) Flujo desendente en pelíula vertial por el exterior de un reipiente de paredes planas (C) Flujo entre dos ilindros onéntrios, ilindro interior en rotaión

4 EJERCICIO 9 Estimar la visosidad del vapor de loroformo a 00 C y atm apliando (A) la teoría inétia de Chapman-Enskog y (B) el método de Stiel y Thodos. Comparar amos resultados. (A) Pa s (B) Pa s EJERCICIO 0 El vapor de fenol a 750 C y atm tiene una visosidad de 47 µp. Cuál será su visosidad si la presión aumenta a 450 atm? Respuesta: μp EJERCICIO Construir una gráfia de la visosidad de mezlas de amoniao e hidrógeno a 33 C en funión de la fraión mol de NH 3. A diha temperatura, las visosidades de los omponentes puros son 90.6 µp para el hidrógeno y 05.9 µp para el amoniao. Desarrollar un álulo a mano a una ierta omposiión omo ejemplo, y los demás puntos de la gráfia otenerlos on ayuda de una hoja de álulo. EJERCICIO Estimar la visosidad a temperatura amiente de una mezla líquida que ontiene un 33% de aetonitrilo y un 67% de aetato de utilo (en ase molar). Las visosidad de los omponentes puros a temperatura amiente es 0.37 y.98 P, respetivamente..5 P EJERCICIO 3 Ejeriio lire Cada estudiante dee usar en la iliografía la visosidad en fase gaseosa de alguna sustania pura, y estimar la visosidad on el método de Champman-Enskog y el método de Stiel-Thodos, a las mismas ondiiones de temperatura y presión que reporte su fuente iliográfia. Calular en ada aso el error porentual respeto al valor experimental. Indispensale anexar opia de la página donde aparee el dato experimental, on los datos iliográfios orrespondientes. EJERCICIO 4 Estimar la ondutividad térmia del eneno en los siguientes asos: (A) omo gas a 0 C y 0.05 atm, (B) omo gas a 740 C y 340 atm, y (C) omo líquido a 0 C. EJERCICIO 5 El ilopentano hierve a 49 C y tiene una densidad de líquido de g/m³. Estimar la ondutividad térmia del vapor de ilopentano a 50 C. EJERCICIO 6 Estimar la ondutividad térmia de una mezla de 0% metanol, 50% etanol y 30% éter dietílio (porentajes en ase masa) a 0 C. A esa temperatura, la ondutividad térmia de los fluidos puros (reportada en Perry, Manual del Ingeniero Químio) es 0.03, 0.73, y 0.34 W/m K, respetivamente. EJERCICIO 7 Considérese un material ompuesto formado por miroesferas de vidrio de 00 µm de diámetro dispersas en una matriz de polipropileno. Si la ondutividad térmia del material ompuesto es W/m K, y la ondutividad térmia del vidrio y del polipropileno son. y 0.5 W/m K, respetivamente, estimar la fraión volumen de esferas, y uántas esferas hay en mm³ del material ompuesto. EJERCICIO 8 Ejeriio lire Cada estudiante dee usar en la iliografía la ondutividad térmia en fase gaseosa de alguna sustania pura, y estimarla on el método de Champman-Enskog a las mismas ondiiones de temperatura (y presión) que reporte su fuente iliográfia. Calular el error porentual respeto al valor experimental. Indispensale anexar opia de la página donde aparee el dato experimental, on los datos iliográfios orrespondientes.

5 EJERCICIO 9 Estimar la difusividad del amoniao en argón, a 55 K y ar, apliando (A) la teoría inétia de Chapman-Enskog, ( B) el método de Fuller, y (C) la extrapolaión de Hirshfelder asándose en el valor reportadoo de 0.56 m²/s a 333 K y atm. En los tres asos, alular el porentaje de error saiendo que el valor experimental de la difusividad a 55 K y ar es 0.5 m²/s (dato experimental de Srivstava y Srivastava, Journal of Chemial Physis, 36:66, 96; itado por Reid, Prausnitz y Poling, The Properties of Gases and Liquids, 987). (A) 0.55 m²/ /s, (B) 0.7 m²/s, (C) m²/s EJERCICIO 0 Estimar el oefiiente de difusión del yodo (% peso) en dióxido de arono a 00 ar y 400 K m²/s EJERCICIO Por ontriuión de grupos, estimar el paraoro de los siguientes ompuestos: (A) hexano, (B) fenol, (C) metil-terutil-éter, (D) tiofeno. RESPUESTAS: (A) 70.0; (B) 9.4; (C) 5.7; (D) 4.8 g /4 m 3 /mol s / EJERCICIO Estimar la difusividad a diluión infinita en agua líquida a 47 C de los siguientes ompuestos: (A) utanona, (B) loruro de alio. (B) m²/s EJERCICIO 3 La hemogloina (ilustrada a la izquierda) es una moléula ompleja enargada de transportar oxígeno y dióxido de arono en la sangre. Tiene un peso moleular erano a los 64,500 g/mol (Van Beekvelt et al., 00). La difusividad de la hemogloina a diluión infinita en agua a 5 C es m²/s (Cussler, 997). Cuál será su difusividad a 37 C? Referenias: Cussler E.L. (997). "Diffusion: Mass Transfer in Fluid Systems". nd Edition, Camridge University Press, 580 p. Van Beekvelt M.C., Colier W.N., Wevers R.A., Van Engelen B.G. (00). "Performane of near-infrared spetrosopy in measuring loal O onsumption and lood flow in skeletal musle". J Appl Physiol 90 (): m²/s EJERCICIO 4 Ejeriio lire Cada estudiante dee usar en la iliografía la difusividad en fase gaseosa de algún ompuesto orgánio en aire, y tamién estimar la difusividad on un método apropiado, a las mismas ondiiones de temperatura ( y presión) que reporte su fuente iliográfia. Calular el error porentual respeto al valor experimental. Haer lo mismo on un dato reportado de difusividad en fase líquida de un ompuesto orgánio (puede ser el mismo o diferente) en agua. Indispensale anexar opia de las páginas donde apareen los datos experimentales, on los datos iliográfios orrespondientes. EJERCICIO 5 Considérese los dos retángulos de m m que se muestran en la figura. Las temperaturas de las dos superfiies son T = 70 C y T = 47 C, respetivamente, y la emisividad de amos retángulos es =. Determinar: (A) el fator de visión F. (B) la rapidez de transferenia de alor por radiaión Q. F = 0.075; Q = W

6 EJERCICIO 6 En un experimento demostrativo de transferenia de alor por radiaión, se oloan dos rondanas idéntias, paralelamente, a una distania de ½ plg. Las rondanas tienen ½ plg de diámetro externo, on una perforaión de ½ plg de diámetro. Determinar el fator de visión de la rondana a la rondana. F = EJERCICIO 7 Se disipa alor de una plaa por medio de una serie de aletas retas de seión transversal onstante. Todas las aletas son idéntias, están hehas de ore ( k = 400 W/m K) y tienen una longitud de 5 mm y una seión transversal uadrada (onstante) de 5 mm de lado. El oefiiente de transferenia de alor por onveión es 347 W/m² K (tamién onstante). La temperatura de la pared es 80 C y la temperatura del aire irundante es 5 C. Para los álulos siguientes, onsiderar una sola de las aletas. (A) Calular el número de Biot para la aleta ( Bi ). (B) Calular la rapidez on la que la aleta pierde alor (Q en watts). Bi = ; Q = 8.36 W EJERCICIO 8 Se desea utilizar aletas de enfriamiento irulares de espesor onstante para disipar alor de un tuo de plg de diámetro externo uya superfiie se enuentra a 34 C. Las aletas están hehas de rone ( k = 09 W/m K), tienen un diámetro externo de 3 plg y un espesor de /8 plg. El aire irundante se enuentra a 0 C. Asumir h = 560 W/m² K onstante. Determinar uántas aletas de enfriamiento se requieren para disipar 0 kw de alor por ada metro de longitud del tuo. Se requieren 47 aletas por ada metro de longitud del tuo.