REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNEFA FALCÓN EXTENSIÓN PUNTO FIJO GUÍAS DE EJERCICIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN SUPERFICIES EXTENDIDAS 1.- Se va a enfriar aire caliente conforme se le fuerza a fluir por tubos expuestos al aire atmosférico. Se han agregado aletas con el fin de mejorar la transferencia de calor. Usted recomendaría que las aletas se sujetaran adentro o afuera de los tubos? Por qué? Cuándo recomendaría que las aletas se sujetaran tanto adentro como afuera de los tubos? 2.- Cuál es la razón para el amplio uso de las aletas sobre las superficies? 3.- Cuál es la diferencia entre la efectividad y la eficiencia de las aletas? 4.- Se determina que las aletas sujetas a una superficie tienen una efectividad de 0.9. Piensa usted que la razón de la transferencia de calor desde la superficie ha aumentado o disminuido como resultado de la adición de estas aletas? 5.- Explique de qué manera las aletas mejoran la transferencia de calor desde una superficie. Asimismo, explique cómo es que la adición de aletas puede disminuir la transferencia de calor desde una superficie. 6.- En qué difiere la efectividad total de una superficie con aletas de la efectividad de una sola aleta? 7.- Se enfría agua caliente a medida que fluye por tubos expuestos al aire atmosférico. Se han agregado aletas con el fin de mejorar la transferencia de calor. Usted recomendaría que las aletas se sujetaran adentro o afuera de los tubos? Por qué? 8.- Considere dos superficies con aletas que son idénticas, excepto que las aletas que están sobre la primera superficie se formaron por fundición o extrusión, en tanto que en la segunda superficie se sujetaron posteriormente soldándolas o sujetándolas con firmeza. En cuál de los dos casos piensa el lector que las aletas mejorarán más la transferencia de calor? Explique. 9.- El área superficial de transferencia de calor de una aleta es igual a la suma de todas las superficies de la misma expuestas al medio circundante, incluyendo el área superficial de la punta. En qué condiciones podemos despreciar la transferencia de calor desde la punta? 10.- La eficiencia y la efectividad de una aleta aumentan o disminuye a medida que se incrementan la longitud de la misma? 11.- Dos aletas de espiga son idénticas, excepto en que el diámetro de una de ellas es el doble del diámetro de la otra. Para cuál de las aletas la efectividad y la eficiencia será más alta? Explique.
12.- Dos aletas de placa de sección transversal rectangular constante son idénticas, excepto en que el espesor de una de ellas es el doble del espesor de la otra. Para cuál de las aletas la efectividad y la eficiencia será más alta? Explique. 13.- Dos superficies con aletas son idénticas, excepto en que el coeficiente de transferencia de calor de una de ellas es el doble del correspondiente a la otra. Para cuál de las superficies con aletas la efectividad de la aleta y la eficiencia de la misma será más alta? Explique. 14.- Se fija a una superficie una aleta de aluminio (K = 237 W/m ºC) de 4 mm de diámetro y 10 cm de largo. Si el coeficiente de transferencia de calor es de 12 W/m 2 C, determine el porcentaje de error en la estimación de la transferencia de calor desde la aleta al suponer que la aleta es infinitamente larga, en lugar de suponer una punta adiabática. 15.- Considere una aleta rectangular muy larga, fijada a una superficie plana en tal forma que la temperatura en el extremo de la aleta es prácticamente la del aire circundante, es decir, 20 C. Su ancho es de 5.0 cm, su espesor de 1 mm, su conductividad térmica de 200 W/m K y su temperatura en la base de 40 C. El coeficiente de transferencia de calor es de 20 W/m 2 K. Estime la temperatura de la aleta a una distancia de 5.0 cm medida desde la base y la razón de pérdida de calor a través de toda la aleta. 16.- Un motor DC suministra potencia mecánica a un eje de acero inoxidable giratorio (K = 15.1 W/m K) de una longitud de 25 cm y un diámetro de 25 mm. En un entorno con una temperatura de 20 C y coeficiente de transferencia de calor por convección de 25 W/m 2 K, el área de la cubierta del motor expuesta a la temperatura ambiental es de 0.075 m 2. El motor utiliza 300 W de energía eléctrica, 55% de la cual convierte en energía mecánica para hacer girar el eje de acero inoxidable. Si la punta del eje de acero inoxidable tiene una temperatura de 22 C, determine la temperatura superficial de la cubierta del motor. Suponga que la temperatura de la base del eje es igual a la temperatura superficial de la cubierta del motor.
17.- Dos tubos de hierro fundido (K = 52 W/m ºC) de 4 m de largo, 0.4 cm de espesor y 10 cm de diámetro que conducen vapor de agua están conectados entre sí por medio de dos bridas de 1 cm de espesor cuyo diámetro exterior es de 18 cm. El vapor fluye en el interior del tubo a una temperatura promedio de 200 C con un coeficiente de transferencia de calor de 180 W/m 2 C. La superficie exterior del tubo está expuesta a un ambiente a 12 C, con un coeficiente de transferencia de calor de 25 W/m 2 K. Determine: a) Si se descartan las bridas, calcule la temperatura promedio de la superficie exterior del tubo. b) Si se consideran a las bridas como aletas, determine la eficiencia (utilizar las tablas y figuras) de la aleta y la razón de la transferencia de calor desde ellas. 18.- Un álabe de la turbina hecha de una aleación metálica (K = 17 W/m K) tiene una longitud de 5.3 cm, un perímetro de 11 cm y un área de sección transversal de 5.13 cm 2. El álabe de la turbina está expuesto al gas caliente de la cámara de combustión a 973 C con un coeficiente de transferencia de calor por convección de 538 W/m 2 K. La base del álabe de la turbina mantiene una temperatura constante de 450 C y su punta es adiabática. Determine la razón de transferencia de calor al álabe de la turbina y su temperatura en la punta.
19.- Una tubería con diámetros interno y externo de 50 mm y 60 mm, respectivamente, se utiliza para transportar vapor sobrecalentado en una planta de manufactura. Los tubos de la tubería de una conductividad térmica de 16 W/m K se conectan entre sí mediante bridas con un espesor combinado de 20 mm y un diámetro externo de 90 mm. El aire que rodea a la tubería tiene una temperatura de 25 C y un coeficiente de transferencia de calor por convección de 10 W/m 2 K. Si la temperatura de la superficie interna de la tubería se mantiene a una temperatura estacionaria de 150 C, determine la temperatura en la base de la brida y la razón de pérdida de calor a través de ésta. 20.- Una pared plana con una temperatura superficial de 350 C está conectada a aletas rectangulares rectas (K = 235 W/m K) Las aletas están expuestas a una temperatura ambiente de 25 C y el coeficiente de transferencia de calor por convección es de 154 W/m 2 K. Cada aleta tiene una longitud de 50 mm, una base de 5 mm de espesor y una anchura de 100 mm. Determine la eficiencia, la razón de transferencia de calor y la efectividad de cada aleta, mediante las tablas y figuras suministras y publicadas en el blog. 21.- El vapor de un sistema de calefacción fluye por tubos cuyo diámetro exterior es de 5 cm y cuyas paredes se mantienen a 130 C. Al tubo se le sujetan aletas circulares de la aleación de aluminio 2024-T6 (K = 186 W/m ºC), de diámetro exterior de 6 cm y espesor constante de 1 mm. El espacio entre las aletas es de 3 mm y, por lo tanto, se tienen 250 aletas por metro de longitud del tubo. El calor se transfiere al aire circundante que está a, con un coeficiente de transferencia de calor de 40 W/m 2 C. Determine el aumento en la transferencia de calor desde el tubo, por metro de longitud, como resultado de la adición de las aletas.
22.- Una superficie caliente a 100 C se va a enfriar sujetándole aletas de pasador de aluminio (K = 237 W/mºC) de 0.25 cm de diámetro, 3 cm de largo y con una distancia entre centros de 0.6 cm. La temperatura del medio circundante es de 30 C y el coeficiente de transferencia de calor sobre las superficies es de 35 W/m 2 C. Determine la razón de la transferencia de calor desde la superficie para una sección de 1 m x 1 m de la placa. Determine también la efectividad total de las aletas. 23.- Repita el problema Nº 22, usando aletas de cobre (k = 386 W/m C) en lugar de las de aluminio.