Transferencia de calor por convección

FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA
INGENIERÍA QUÍMICA Y EN ALIMENTOS
Transferencia de calor por convección
COLOQUIO Nº4
Convección forzada interna y externa: Flujo turbulento
TEMA 8 – Transferencia de calor por convección III
Flujo turbulento externo e interno. Distribución de velocidades para tubos lisos.
Analogías entre la transferencia de calor y la cantidad de movimiento. Analogías de Reynolds,
de Prandtl y de Von Karman. Fórmulas empíricas para la transferencia de calor para las
geometrías más comunes: Flujo interno y flujo externo.
Interno
1. Se tiene agua a 50ºF en un tubo de 1 1/2" de diámetro, 16BWG y 8ft de largo con una
velocidad de 35ft/s. Hay vapor a 240ºF condensándose en la pared exterior del tubo.
Calcular el valor medio del coeficiente de transferencia de calor en le interfase tubo-agua,
utilizando :
a) Analogía de Reynolds
b) Analogía de Pradtl
c) Analogía de Colburn
Cuál analogía cree que es más exacta? Más inexacta? Porque?
Comparar los resultados contenidos usando la analogía de Reynolds y la de Colburn con
respecto a la trasferencia de calor total y la temperatura del agua que sale.
Resolver el mismo problema para el caso del aire 80ºF que entra en el tubo.
2. Vapor a una atmósfera y 212ºF está fluyendo a través de un tubo de 2" de diámetro interior
a una velocidad de 20ft/s. Estimar el número de Nu, el coeficiente de transferencia de calor
por pie de longitud de tubo, si el tubo está a 400ºF.
3. El aire atmosférico a una velocidad de 200ft/s y una temperatura de 60ºF entra a un
conducto metálico cuadrado, de 2ft de longitud y sección transversal de 8 x 8". Si la pared
del conducto está a 300ºF, determinar la conductancia promedio por unidad de superficie.
Hacer un breve comentario del efecto de L/DH
4. Un tubo circular de 25mm de diámetro, cuya superficie exterior se mantiene a 100ºC, se usa
para calentar agua que fluye a 1Kg/s desde 30 a 70ºC. Qué tan largo debe ser el tubo?
5. Un cañería (AISI 316) de acero inoxidable, de paredes gruesas, de diámetro interior y
exterior: Di=20mm y Do=40mm está calentado eléctricamente como para proveer una
velocidad de generación de calor uniforme de q=106W/M3. La superficie exterior de la
cañería está aislada, mientras el agua fluye en la cañería a razón de 0,1kg/s.
a) Si la temperatura de entrada del agua es Tm,i=20ºC y la temperatura de salida deseada
es Tm,o=40ºC, cuál es la longitud de cañería requerida?
b) Cuál es la localización y el valor de la temperatura de la cañería máxima?
6. Aire atmosférico entra a un ducto de calentamiento sin aislación de 150mm de diámetro y
10m de longitud, a 60ºC y 0,04Kg/s. Si la temperatura superficial del ducto es
aproximadamente constante a Ts=15ºC, cuál es la temperatura del aire exterior y cuál es la
pérdida de calor del ducto?
7. Considere un tubo circular horizontal de paredes delgadas de diámetro D=0,025m
sumergido en un contenedor de n-octano (parafina), que se usa para almacenar energía
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térmica. Cuando agua caliente fluye a través del tubo. El calor se transfiere a la parafina,
convirtiéndola de estado sólido a estado líquido a un temperatura de cambio de fase de
T∞=27,4ºC. El calor latente de fusión y la densidad de la parafina son hsf=244kJ/kg y ρ=770
Kg/m3, respectivamente, y las propiedades termofísicas del agua pueden ser tomadas
como: cp=4,185KJ/KgºK, k=0,653 W/mºK, y µ=467.10-6 Kg/s m. Suponga que la temperatura
del tubo tiene una temperatura uniforme correspondiente a la del cambio de fase, y
determine la temperatura de salida y la velocidad de transferencia de calor total para el
agua que fluye a 0,1Kg/s y una temperatura de entrada de 60ºC. Si H=W=0,25 m, que tan
largo debe ser el tubo (que transporta agua) para licuar completamente la parafina, desde
el estado inicial en el cual la parafina es sólida y a 27,4ºC.
8. Por una tubería de 1" de diámetro interior fluye glicerina a razón de 500k/h. La glicerina cuya
temperatura a la entrada es de 15ºC, atraviesa una sección caliente de 33m de longitud
siendo las temperaturas de las paredes del tubo de 115ºC. Determinar:
a) Cuál será la temperatura de la glicerina a la salida de la sección caliente?. Cuál el hc?
b) Qué longitud se necesitaría de sección caliente para que la glicerina alcance el 90% de
la temperatura de la pared?
Externo
9. A que distancia del borde de ataque de una superficie plana ocurrirá la transición de flujo
laminar a turbulento si el fluido es:
a) Aire a 60oF y presión atmosférica.
b) Agua a 80oF.
c) Glicerina a 60oF.
d) Mercurio a 80oF.
La velocidad de la corriente libre es de 50ft/s y To=120oF.
10. Un alambre de 0,005” se expone a una corriente de aire a -20oF. La velocidad del flujo es de
750ft/s. El alambre se calienta eléctricamente y tiene una longitud de 1 ½“. Calcúlese la
potencia eléctrica necesaria para mantener la temperatura de la superficie del alambre a
350oF.
Exprese la respuesta en Watts.
11. Determinar la rapidez de pérdida de calor en BTU/h desde la pared de un edificio expuesto
a un viento de 10 millas/h que sopla paralelo a su superficie. La temperatura de la pared es
de 80oF y sus dimensiones son 80ft de longitud por 20ft de altura. La temperatura media del
aire ambiente es de 40oF.
12. Sobre un tubo de 1" de DE que se mantiene a una temperatura uniforme de 200ºF fluye
aceite a 70ºF con una velocidad de 5ft/s. Determinar el coeficiente promedio de
transferencia de calor y la tasa de transferencia de calor entre el fluido y el tubo por pie
lineal de tubo. ( ν =10 ft2/h, k= 0,0895 Btu/ft h ºF, Pr=55).
13. Sobre una esfera de 1" de diámetro fluye agua a una temperatura de 80ºF con una
velocidad de 20ft/s. Determinar:
a) El coeficiente de arrastre
b) La fuerza de arrastre que actúa sobre la esfera
c) El coeficiente promedio de transferencia de calor
d) La tasa de transferencia de calor entre el fluido y la esfera si la superficie de esta se
mantiene a 120ºF.
14. Sobre un banco formado por tubos de 3/8" de DE y distribuidos en 10 filas en la dirección
del flujo, fluye aire a 60ºF y 1atm de presión. La velocidad del aire antes de entrar al banco
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de tubos es de 5ft/s. Determinar en los siguientes casos el factor promedio de fricción y el
coeficiente promedio de transferencia de calor:
a) Los tubos están distribuidos en forma de triángulo equilátero como se muestra en el
modelo 1 de la fig. 9-14.
b) Los tubos están distribuidos como un cuadrado como se muestra en el modelo 2 de la
fig 9-14.
15. Sobre un banco formado por tubos de 1" de DE distribuidos en forma cruzada y en 40 filas
en la dirección del flujo, fluye aire a 200ºF y 100lbf /in2 abs. La Gmáx del flujo es de 4lb/ft2 s.
Determinar el coeficiente promedio de transferencia de calor y la caída de presión.
(Sl/D=1,5; St/D=2).
16. Un precalentador usa vapor de condensación a 100ºC en el interior de un banco de tubos
para calentar el aire que entra a 1atm y 25ºC. El aire se mueve a 5m/s en flujo cruzado sobre
los tubos que tienen 1m de longitud y DE=10mm. El banco consiste en 196 tubos en un
arreglo cuadrado en el que ST=SL=15mm.
a) ¿Cuál es la transferencia total de calor al aire?
b) ¿Cuál es la caída de presión asociada con el flujo de aire?
17. Un banco de tubos usa un arreglo alineado de ST=SL=20mm con tubos de DE=10mm. Hay 10
líneas de tubos con 50 tubos cada línea. Fluye agua fría por los tubos, lo que mantiene la
temperatura de la superficie externa a 27ºC, mientras que los gases de combustión a 427ºC
y 5m/s están en flujo cruzado sobre los tubos. Las propiedades de los gases de combustión
se aproximan a los del aire atmosférico a 427ºC. ¿Cuál es la transferencia total de calor por
unidad de longitud de los tubos en el banco?
18. Un banco de tubos, de DE=30mm y L=1m, utiliza un arreglo alineado con ST=SL=60mm,
NL=10 y NT=7. Hay aire a T∞=27ºC y V=15m/s en flujo cruzado sobre los tubos, mientras la
temperatura de la pared de los tubos de 100ºC se mantiene mediante condensación de
vapor dentro de los mismos. Determine la temperatura del aire que sale del banco de tubos,
la caída de presión a través del banco y el requerimiento de potencia del ventilador.