REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL NÚCLEO FALCÓN - EXTENSIÓN PUNTO FIJO

GUÍA DE EJERCICIOS PRÁCTICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN

INSTRUCCIONES: (LEER CUIDADOSAMENTE) 1.-Esta guía de ejercicio sirve de práctica para profundizar conocimientos para la prueba larga, actividad especial y del tema. 2.-Para efectos de la unidad curricular, la prueba larga, es una técnica sumativa – formativa, con la finalidad, de que los estudiantes de la materia, demuestren los conocimientos adquiridos encada uno de los temas discutido en clase. Está dentro del plan de evaluación, por lo tanto es obligatorio. 3.- La prueba larga SI tiene revisión y es APELABLE, de acuerdo al Reglamento de Evaluación de la Universidad. La revisión de la prueba deberá solicitarlo el estudiante el mismo día que el profesor entregue los resultados de la prueba larga, de lo contrario la revisión de la prueba larga NO PROCEDE. 4.- La revisión de la prueba procederá cuando el profesor considere que es PERTINENTE en la solicitud planteada por el estudiante, en caso contrario NO PROCEDERÁ. 5.-Para efectos de la unidad curricular, la actividad especial, es una técnica que se lleva a cabo con el objetivo de cumplir las metas de cada tema de transferencia de calor, cuyos estudiantes pueden obtener puntuaciones extras, siempre y cuando todos los temarios teóricos – prácticos planteados, sea ejecutado por el estudiante de forma correcta en su totalidad. Es opcional y no está dentro del plan de evaluación establecido al principio del semestre; es decir, es una iniciativa del profesor de la materia, cuyo propósito es incentivar a los estudiantes al estudio, análisis, evaluación y crítica de cada tema planteado. 6.-La actividad especial planteada por el profesor NO tiene revisión y es INAPELABLE. 7.-Esta guía de ejercicios se considera como una actividad especial, por lo tanto el estudiante que desee entregar esta actividad, la hará el día VIERNES 18 DE MARZO DE 2016 HORA: 05:30 PM. 8.- Para garantizar, que el estudiante realice cada ejercicio por esfuerzo propio, se considerará lo siguiente: 8.1.- La actividad especial es INDIVIDUAL. 8.2.- La guía tiene cincuenta y cuatro (54) ejercicios teórico – práctico, el cual deberán realizar un mínimo de veintisiete (27) de la siguiente forma: a.- Estudiante(s) cuyo terminal de cédula termina en 2,3,4,7,9 realizarán los ejercicios teórico - práctico PARES b.- Estudiante(s) cuyo terminal de cédula termina en 0,1,5,6,8 realizarán los ejercicios teórico – práctico IMPARES. 9.- Estudiante(s) que no cumplan con el punto 8.2 incluyendo la parte (a) y (b) tendrá el puntaje mínimo establecido en el reglamento de evaluación de Cero uno (01) punto. 10.- Estudiante(s) que hayan realizado más de tres (3) ejercicios teórico – práctico de forma errónea, es causal suficiente para llevar a cabo la anulación de la actividad especial.

EJERCICIOS DE CONDUCCIÓN DE CALOR EN ESTADO ESTACIONARIO Y DE RESISTENCIA

TÉRMICA EN PAREDES PLANAS

EJERCICIOS DE CONDUCCIÓN DE CALOR EN ESTADO ESTACIONARIO 1.- Considere la conducción de calor a través de una pared de espesor L y área A. ¿En qué condiciones la distribución de temperatura en la pared será una recta? 2.- Considere la conducción de calor a través de una pared plana. ¿Cambia el contenido de energía de la pared durante la conducción de calor en estado estacionario? ¿Cómo cambia durante la conducción transitoria? Explique. 3.- Considere la transferencia de calor en estado estacionario a través de la pared de un cuarto en invierno. El coeficiente de transferencia de calor por convección en la superficie exterior de la pared es el triple que el de la superficie interior, como resultado de los vientos. ¿Sobre cuál de las dos superficies piensa el lector que la temperatura estará más cercana a la del aire circundante? Explique. 4.- Considere conducción de calor unidireccional en una barra cilíndrica de diámetro D y longitud L. Cuál es el área de transferencia de calor de la varilla si: a) su superficie lateral está aislada. b) sus superficies superior e inferior están aisladas 5.- ¿Qué representa la resistencia térmica de un medio? 6.- ¿Cómo se define el coeficiente combinado de transferencia de calor? ¿Qué conveniencia ofrece en los cálculos de transferencia de calor? 7.- ¿Podemos definir la resistencia a la convección por unidad de área como la inversa del coeficiente de transferencia de calor por convección? 8.- ¿Por qué las resistencias a la convección y a la radiación en una superficie están en paralelo en lugar de en serie? 9.- Considere una superficie de área A en la cual los coeficientes de transferencia de calor por convección y por radiación son hconv y hrad, respectivamente. Explique cómo determinaría a) el coeficiente único equivalente de transferencia de calor. b) la resistencia térmica equivalente. Suponga que el medio y las superficies circundantes están a la misma temperatura. 10.- ¿En qué difiere la red de resistencias térmicas asociada con una pared plana de una sola capa con respecto a una asociada con una pared compuesta de cinco capas? 11.- Considere la transferencia unidimensional de calor en estado estacionario a través de un medio de capas múltiples. Si se conoce la razón de la transferencia de calor. Explique cómo determinaría la caída de temperatura a través de cada capa. 12.- Considere la transferencia unidimensional de calor en estado estacionario a través de una pared plana expuesta a convección desde ambos lados hacia medios que están a las temperaturas conocidas y , con coeficientes de transferencia de calor conocidos, h1

y h2. Una vez que se ha evaluado la razón de la transferencia de calor, explique cómo determinaría la temperatura de cada superficie.

13.- Alguien comenta que un horno de microondas se puede concebir como un horno convencional con una resistencia cero a la convección en la superficie del alimento. ¿Es una afirmación exacta? 14.-Considere una ventana de vidrio que consta de dos hojas de 4 mm de espesor comprimidas con firmeza una contra la otra. Compare la razón de la transferencia de calor a través de esta ventana con la de una que consta de una sola hoja de vidrio de 8 mm de espesor en condiciones idénticas. 15.- Considere dos bebidas enlatadas frías, una envuelta en una manta y la otra colocada sobre una mesa en el mismo cuarto. ¿Cuál bebida se entibiará más rápido? 16.- Considere una pared de ladrillos de 3 m de alto, 6 m de ancho y 0,25 m de espesor cuya conductividad térmica es ( ). En cierto día, se miden las temperaturas de las superficies interior y exterior de la pared y resultan ser de 14°C y 5°C, respectivamente. Determine la razón de la pérdida de calor a través de la pared en ese día. 17.- Está hirviendo agua en una cacerola de aluminio ( ) de 25 cm de diámetro, a 95°C. El calor se transfiere de manera estacionaria hacia el agua hirviendo que está en la cacerola a través del fondo plano de ésta de 0,5 cm de espesor, a razón de 800 W. Si la temperatura de la superficie interior del fondo es de 108°C, determine: a) el coeficiente de transferencia de calor de ebullición sobre esa superficie interior. b) la temperatura de la superficie exterior del fondo. 18.- Considere una ventana de vidrio de 1,5 m de alto y 2,4 m de ancho cuyo espesor es de 6 mm y la conductividad térmica es . Determine la razón de transferencia de calor estacionaria a través de esta ventana de vidrio y la temperatura de su superficie interior, para un día durante el cual el cuarto se mantiene a 24°C, en tanto que la temperatura del exterior es de –5°C. Tome los coeficientes de transferencia de calor por

convección sobre las superficies interior y exterior de la ventana como y

y descarte cualquier transferencia de calor por radiación.

FIGURA 01

19.- Repita el problema 18 si se ha hecho el vacío en el espacio entre las dos capas de vidrio. 20.- Considere una casa de ladrillos calentada eléctricamente ( ) cuyas paredes tienen 9 pies de alto y 1 pie de espesor. Dos de las paredes tienen 50 pies de largo y las otras tienen 35 pies. La casa se mantiene a 70°F en todo momento, en tanto que la temperatura del exterior varía. En cierto día, se mide la temperatura de la superficie interior de las paredes y resulta ser de 55°F, en tanto que se observa que la temperatura promedio de la superficie exterior permanece en 45°F durante el día por 10 h, y en 35°F en la noche por 14 h. Determine la cantidad de calor perdido por la casa ese día. También determine el costo de esa pérdida de calor para el propietario, si el precio de la electricidad es de 0,09 dólar/kWh.

Figura 02

21.- Un elemento resistor cilíndrico en un tablero de circuito disipa 0,15 W de potencia en un medio a 35°C. El resistor tiene 1,2 cm de largo y un diámetro de 0,3 cm. Si se supone que el calor se transfiere de manera uniforme desde todas las superficies, determine: a) la cantidad de calor que este resistor disipa durante un periodo de 24 h. b) el flujo de calor sobre la superficie del resistor, en W/m2. c) la temperatura superficial del resistor para un coeficiente combinado de transferencia de calor por convección y radiación de 9 W/m2 · °C. 22.- Para desempañar el parabrisas posterior de un automóvil se adhiere un elemento calefactor muy delgado en su superficie interna. El elemento calefactor provee un flujo de calor uniforme de 1300 W/m2 para desempañar el parabrisas posterior cuyo espesor es de 5 mm. La temperatura interior del automóvil es de 22°C y el coeficiente de transferencia de calor por convección es de 15 W/m2 · K. La temperatura ambiente exterior es de –5°C y el coeficiente de transferencia de calor por convección es de 100 W/m2 · K. Si la conductividad térmica de la ventana es de 1,2 W/m · K, determine la temperatura de la superficie interna de la ventana.

FIGURA 03

23.- Una película transparente se adherirá en la superficie superior de una placa sólida dentro de una cámara caliente. Para lograr la adherencia adecuada se debe mantener una temperatura de 70°C entre la película y la placa sólida. La película transparente tiene un espesor de 1 mm y una conductividad térmica de 0,05 W/m · K, en tanto que la placa sólida tiene un espesor de 13 mm y una conductividad térmica de 1,2 W/m · K. Dentro de la cámara caliente, el coeficiente de transferencia de calor por convección es de 70 W/m2 · K. Si la superficie inferior de la placa sólida se mantiene en 52°C, determine la temperatura al interior de la cámara y la temperatura de la superficie de la película transparente. Asuma que la resistencia por contacto térmico es despreciable.

FIGURA 04

24.- Considere un transistor de potencia que disipa 0,15 W de potencia en un medio a 30°C. El transistor tiene 0,4 cm de largo y un diámetro de 0,5 cm. Si se supone que el calor se transfiere de manera uniforme desde todas las superficies, determine: a) la cantidad de calor que este transistor disipa durante un periodo de 24 h, en kWh. b) el flujo de calor sobre la superficie del transistor, en W/m2. c) la temperatura superficial del transistor para un coeficiente combinado de transferencia de calor por convección y radiación de 18 W/m2 · °C.

Figura 05

25.- Un tablero de circuito de 12 cm x 18 cm aloja sobre su superficie 100 chips lógicos con poco espacio entre ellos, disipando cada uno 0,06 W en un medio a 40°C. La transferencia de calor desde la superficie posterior del tablero es despreciable. Si el coeficiente de transferencia de calor sobre la superficie del tablero es de 10 W/m2 · °C, determine: a) el flujo de calor sobre la superficie del tablero de circuito, en W/m2 b) la temperatura superficial de los chips. c) la resistencia térmica entre la superficie del tablero y el medio de enfriamiento, en °C/W.

26- Una ventana de hoja doble, de 1,0 m x 1,5 m, está formada por dos capas de vidrio de 4 mm de espesor ( ) que están separadas por un espacio de aire de 5 mm ( ). Se supone que el flujo de calor a través del espacio de aire se da por conducción. Las temperaturas interior y exterior del aire son de 20°C y -20°C, respectivamente, y los coeficientes interior y exterior de transferencia de calor son 40 y 20 W/m2 · K, también respectivamente. Determine: a) la pérdida de calor diaria a través de la ventana en estado estacionario de transferencia de calor. b) la diferencia de temperatura debida a la resistencia térmica más grande. 27.- Se construye una pared de dos capas de tablaroca ( ) de 0.5 in de espesor, la cual es un tablero hecho con dos capas de papel grueso separadas por una capa de yeso, colocadas con 7 in de separación entre ellas. El espacio entre los tableros de tablaroca está lleno con aislamiento de fibra de vidrio ( ). Determine la resistencia térmica de la pared.

Figura 06

28.- El techo de una casa consta de una losa de concreto ( ) de 15 cm de espesor, que tiene 15 m de ancho y 20 m de largo. Los coeficientes de transferencia de calor por convección sobre las superficies interior y exterior del techo son 5 y 12 W/m2 · °C, respectivamente. En una noche clara de invierno, se informa que el aire ambiente está a 10°C, en tanto que la temperatura nocturna del cielo es de 100 K. La casa y las superficies interiores de la pared se mantienen a una temperatura constante de 20°C. La emisividad de las dos superficies del techo de concreto es 0,9. Si se consideran las transferencias de calor tanto por radiación como por convección, determine la razón de la transferencia de calor a través del techo y la temperatura de la superficie interior de este último. Si la casa se calienta mediante un hogar en el que se quema gas natural con una eficiencia de 80% y el precio de ese gas es de 1,20 dólar/therm (1 therm = 105 500 kJ de contendido de energía), determine el dinero perdido a través del techo esa noche durante un periodo de 14 h.

Figura 07

29.- Una sección de pared de 2 m x 1.5 m de un horno industrial en el que se quema gas natural no está aislada y se mide la temperatura en la superficie exterior de esta sección, lo cual resulta ser de 110°C. La temperatura de la sala en donde está el horno es de 32°C y el coeficiente combinado de transferencia de calor por convección y radiación es de 10 W/m2 · °C. Se propone aislar esta sección de pared del horno con aislamiento de lana de vidrio ( ) con el fin de reducir la pérdida de calor en 90%. Si se supone que la temperatura de la superficie exterior de la sección metálica todavía permanece alrededor de 110°C, determine el espesor del aislamiento que necesita usarse. El horno opera en forma continua y tiene una eficiencia de 78%. El precio del gas natural es de 1.10 dólar/therm (1 therm = 105 500 kJ de contenido de energía). Si la instalación del aislamiento costará 250 dólares por los materiales y la mano de obra, determine cuánto tiempo tardará el aislamiento en pagarse por la energía que ahorra. 30.- Repita el problema Nº 29 para un aislamiento de perlita expandida, si se supone que la conductividad es ( ). 31.- Considere una casa que tiene una base de 10 m x 20 m y paredes de 4 m de alto. Las cuatro paredes de la casa tienen un valor R de 2,31 m2 · °C/W. Las dos paredes de 10 m x 4 m no tienen ventanas. La tercera pared tiene cinco ventanas hechas de vidrio ( ) de 0,5 cm de espesor y con un tamaño de 1,2 m x 1,8 m. La cuarta pared tiene el mismo tamaño y número de ventanas, pero son de hoja doble con un espacio de aire estancado ( ) de 1,5 cm de espesor encerrado entre dos capas de vidrio de 0,5 cm de espesor. El termostato en la casa se fija en 24°C y la temperatura promedio en el exterior en ese lugar es de 8°C durante la larga temporada de calefacción de siete meses. Si se descarta cualquier ganancia o pérdida por radiación directa a través de las ventanas y se toma el coeficiente de transferencia de calor en las superficies interior y exterior de la casa como de 7 y 18 W/m2 · °C, respectivamente, determine la razón promedio de la transferencia de calor a través de cada pared. Si la casa se calienta eléctricamente y el precio de la electricidad es de 0,08 dólar/kWh, determine la cantidad de dinero que este propietario ahorrará por temporada de calefacción al convertir las ventanas de una sola hoja en ventanas de hoja doble. 32.- Se construye la pared de un refrigerador con aislamiento de fibra de vidrio ( ) comprimida entre dos capas de hoja metálica de 1 mm de espesor ( ). El espacio refrigerado se mantiene a 2°C y los coeficientes promedio

de transferencia de calor en las superficies interior y exterior de la pared son de 4 W/m2 · °C y 9 W/m2 · °C, respectivamente. La temperatura de la cocina promedia 24°C. Se observa que ocurre condensación sobre las superficies del refrigerador cuando la temperatura de la superficie exterior cae hasta 20°C. Determine el espesor mínimo de aislamiento de fibra de vidrio que es necesario usar en la pared con el fin de evitar la condensación sobre las superficies exteriores.

Figura 08

33.- Se debe conducir calor a lo largo de un tablero de circuito que tiene una capa de cobre sobre uno de sus lados. El tablero tiene 15 cm de largo y 15 cm de ancho y los espesores de la capa de cobre y del material epóxico son de 0,1 mm y 1,2 mm, respectivamente. Si se descarta la transferencia de calor desde las superficies laterales, determine los porcentajes de conducción de calor a lo largo de las capas de cobre ( ) y del material epóxico ( ). Determine también la conductividad térmica efectiva del tablero. 34.- Una placa de cobre de 0,005 in ( ) está comprimida entre dos tablTeros de material epóxico ( ) de 0,1 in de espesor y un tamaño de 7 in x 9 in. Determine la conductividad térmica efectiva del tablero a lo largo de su lado de 9 in. ¿Qué fracción del calor conducido a lo largo de ese lado es conducido a través del cobre?

Figura 09

35.- Para descongelar el hielo acumulado en la superficie exterior del parabrisas de un automóvil, se aplica aire caliente sobre su superficie interna. Considere el parabrisas de un automóvil con un espesor de 5 mm y una conductividad térmica de 1,4 W/m · K. La temperatura ambiente exterior es de –10°C y el coeficiente de transferencia de calor por convección es de 200 W/m2 · K, en tanto que la temperatura ambiente interna del automóvil es de 25°C. Determine el valor del coeficiente de transferencia de calor por convección para el aire caliente aplicado sobre la superficie del parabrisas necesario para empezar a derretir el hielo acumulado.

Figura 10

36.- Las superficies interior y exterior de un muro de ladrillos de 4 m x 7 m, con espesor de 30 cm y conductividad térmica de 0,69 W/m · K, se mantienen a las temperaturas de 26°C y 8°C, respectivamente. Determine la razón de la transferencia de calor que fluye en el muro, en W.

Figura 11

37.- Durante el invierno las superficies interior y exterior de una ventana de vidrio de 1 cm de espesor y de 2 m x 2 m están a 10°C y 3°C, respectivamente. Si la conductividad térmica del vidrio es 0.78 W/m · °C, determine la cantidad de pérdida de calor, en BTU, a través de él durante un periodo de 5 horas. ¿Cuál sería su respuesta si el vidrio tuviera 2 cm de espesor? 38.- El muro norte de una casa calentada eléctricamente tiene 20 ft de largo, 10 ft de alto y 1 ft de espesor y está hecha de ladrillo cuya conductividad térmica es . En cierta noche de invierno se miden las temperaturas de las superficies interior y exterior y resultan ser de alrededor de 62°F y 25°F, respectivamente, durante un periodo de 8 horas. Determine: a) la razón de la pérdida de calor a través del muro en la noche. b) el costo de esa pérdida de calor para el propietario de la casa, si el costo de la electricidad es 0.07 dólar/kWh.

39.- En cierto experimento se usan muestras cilíndricas con un diámetro de 4 cm y una longitud de 7 cm (véase la figura 12). Los dos termopares en cada una de las muestras se colocan con 3 cm de separación. Al término de los procesos de los transitorios iniciales, se observa que el calentador eléctrico consume 0.6 A a 110 V y los dos termómetros diferenciales dan como lectura una diferencia de temperatura de 8°C. Determine la conductividad térmica de la muestra.

Figura 12

40.- Una manera de medir la conductividad térmica de un material es colocar como en un emparedado un calentador eléctrico de lámina térmica entre dos muestras rectangulares idénticas de ese material y aislar profusamente los cuatro bordes exteriores, como se muestra en la figura. Los termopares sujetos a las superficies interiores y exteriores de las muestras registran las temperaturas. Durante un experimento se usan dos muestras de 0,5 cm de espesor con un tamaño de 10 cm x 10 cm. Cuando se alcanza la operación de estado estacionario, se observa que el calentador consume 25 W de potencia eléctrica y se observa que la temperatura de cada una de las muestras cae de 82°C en la superficie interior a 74°C en la exterior. Determine la conductividad térmica del material a la temperatura promedio.

Figura 13

41.- Repita el problema Nº 40, pero empleando un consumo de potencia eléctrica de 20 W. 42.- Un medidor de flujo de calor sujeto a la superficie interior de la puerta de un refrigerador que tiene 3 cm de espesor indica que se tiene un flujo de 32 W/m2 a través de

esa puerta. Asimismo, se miden las temperaturas de las superficies interior y exterior de la puerta y resultan ser 7°C y 15°C, respectivamente. Determine la conductividad térmica promedio de la puerta del refrigerador.

EJERCICIOS DE REDES GENERALIZADAS DE RESISTENCIAS TÉRMICAS

43.- ¿Cuáles son los dos enfoques aplicados en el desarrollo de la red de resistencias térmicas para los problemas bidimensionales? 44.- También se pueden usar aproximadamente las redes de resistencias térmicas para los problemas multidimensionales. ¿Para qué clase de problemas multidimensionales el enfoque de resistencias térmicas dará resultados adecuados? 45.- Cuando se traza la gráfica de la red de resistencias térmicas asociada con un problema de transferencia de calor, explique cuándo dos resistencias están en serie y cuándo están en paralelo. 46.- Una pared de 4 m de alto y 6 m de ancho consiste en ladrillos con una sección transversal horizontal de 15 cm x 25 cm ( ) separados por capas de mezcla ) de 3 cm de espesor. También se tienen capas de mezcla de 2 cm de espesor sobre cada lado de la pared y una espuma rígida ( ) de 2 cm de espesor sobre el lado interior de la misma. Las temperaturas en el interior y el exterior son de 22°C y –4°C y los coeficientes de transferencia de calor por convección sobre los lados interior y exterior son h2 20 W/m2 · °C y h1 = 10 W/m2 · °C, respectivamente. Si se supone una transferencia unidimensional de calor y se descarta la radiación, determine la razón de la transferencia de calor a través de la pared.

Figura 14

47.- Una pared de 12 m de largo y 5 m de alto está construida de dos capas de tablaroca ( ) de 1 cm de espesor, espaciadas 16 cm por montantes de madera ( ) cuya sección transversal es de 12 cm x 5 cm. Los montantes están colocados verticalmente y separados 60 cm, y el espacio entre ellos está lleno con aislamiento de fibra de vidrio ( ). La casa se mantiene a 20°C y la

temperatura ambiente en el exterior es de –9°C. Si se toma los coeficientes de transferencia de calor en las superficies interior y exterior de la casa como 8,3 y 34 W/m2 · °C, respectivamente, determine: a) la resistencia térmica de la pared, si se considera una sección representativa de ella. b) la razón de la transferencia de calor a través de la pared. 48.- Se va a construir una pared de 10 cm de espesor con montantes de madera ( ) de 2,5 m de largo que tienen una sección transversal de 10 cm x 10 cm. En algún momento, al constructor se le acabaron esos montantes y empezó a usar, en lugar de ellos, parejas de montantes de madera de 2.5 m de largo que tienen una sección transversal de 5 cm x 10 cm, clavados entre sí. Los clavos de acero al manganeso ( ) tienen 10 cm de largo y un diámetro de 0,4 cm. Se usaron un total de 50 clavos para conectar los dos montantes, los cuales están colocados en la pared de tal manera que los clavos cruzan esta última. La diferencia de temperatura entre las superficies interior y exterior de la pared es de 8°C. Si se supone que la resistencia térmica por contacto entre las dos capas es despreciable, determine la razón de la transferencia de calor a) a través de un montante macizo, y b) a través de una pareja de montantes de igual longitud y ancho clavados entre sí. c) Determine también la conductividad efectiva de la pareja clavada de montantes. 49.- Se va a construir una pared de 10 in de espesor, 30 ft de largo y 9 ft de alto, usando ladrillos sólidos ( ) con una sección transversal de 7 in x 7 in; o bien, ladrillos de idéntico tamaño con nueve orificios cuadrados llenos de aire ( ) que tienen 9 in de largo y una sección transversal de 1.5 in x 1.5 in. Se tiene una capa de mezcla ( ) de 0,5 in de espesor entre dos ladrillos adyacentes, sobre los cuatro lados y sobre los dos lados de la pared. La casa se mantiene a 80°F y la temperatura ambiente en el exterior es de 35°F. Si los coeficientes de transferencia de calor en las superficies interior y exterior de la pared son 1,5 y 6 Btu/h · ft2 · °F, respectivamente, determine la razón de la transferencia de calor a través de la pared construida de a) ladrillos sólidos y b) ladrillos con orificios llenos de aire.

Figura 15

50.- Considere una pared de 5 m de alto, 8 m de largo y 0.22 m de espesor cuya sección transversal representativa se da en la figura. Las conductividades térmicas de los diversos materiales usados, en W/m · °C, son . Las superficies izquierda y derecha de la pared se mantienen a las temperaturas uniformes de 300°C y 100°C, respectivamente. Determine:

a) la razón de la transferencia de calor a través de ella. b) la temperatura en el punto en el que se encuentran las secciones B, D y E. c) la caída de temperatura a través de la sección F. Descarte cualesquiera resistencias por contacto entre las interfases.

Medidas

B = 100 cm C = 200 cm D = 250 cm E = 250 cm

Figura 16

51.- En un experimento para medir los coeficientes de transferencia de calor por convección, se adhiere una hoja metálica muy delgada y de muy baja emisividad (p.ej., cobre altamente pulido) a la superficie de una losa de material con muy baja conductividad térmica. La otra superficie de la hoja metálica se expone a la transferencia de calor por convección mediante un flujo de fluido sobre su superficie. Este arreglo disminuye la conducción de calor a través de la losa y la radiación sobre la superficie de la hoja metálica, mientras que la convección de calor desempeña un papel fundamental. El bloque al que está adherida la hoja metálica, tiene un espesor de 25 mm y una conductividad térmica de 0,023 W/m · K. En una condición donde la temperatura ambiente circundante es de 20°C, la hoja metálica se calienta eléctricamente con un flujo de calor uniforme de 5000 W/m2. Si la superficie inferior de la losa está a 20°C y la hoja metálica tiene una emisividad de 0,02, determine: a) El coeficiente de transferencia de calor por convección si el aire fluye sobre la hoja metálica y la temperatura de la superficie de la hoja es de 150°C. b) El coeficiente de transferencia de calor por convección si sobre la hoja de metal fluye agua y la temperatura de la superficie de la hoja es de 30°C.

Figura 17

52.- Un horno de 5 m de ancho, 4 m de alto y 40 m de largo usado para curar tubos de concreto está hecho con paredes y techo de concreto ( ). El horno se mantiene a 40°C por la inyección de vapor de agua caliente en él. Los dos extremos del horno, con un tamaño de 4 m x 5 m, están hechos de lámina metálica de 3 mm de espesor cubierto con espuma de estireno ( ) de 2 cm de espesor. Los coeficientes de transferencia de calor por convección sobre las superficies interior y exterior del horno son de 3000 W/m2 · °C y 25 W/m2 · °C, respectivamente. Si se descarta cualquier pérdida de calor a través del piso, determine la razón de la pérdida de calor del horno cuando el aire ambiente está a –4°C.

Figura 18

53.- Considere una lámina de vidrio epóxico ( ) de 10 in x 12 in cuyo espesor es de 0,05 in. Con el fin de reducir la resistencia térmica a través de su espesor, se van a plantar en todo el tablero rellenos cilíndricos de cobre ( ) de 0,02 in de diámetro, con una distancia de centro a centro de 0,06 in. Determine el nuevo valor de la resistencia térmica del tablero de vidrio epóxico para la conducción del calor a través de su espesor como resultado de esta modificación.

Figura 19

EJERCICIO EXTRA

54.- Se calienta agua en un tubo aislado de diámetro constante por medio de un calentador eléctrico de resistencia de 5 kW. Si el agua entra en el calentador de manera estacionaria a 15°C y sale a 60°C, determine el gasto masa de agua.