Problemas Calor

INGENIERÍA ENERGÉTICA Y TRANSMISIÓN DE CALOR (2011-12)
TEMA 2: CONDUCCIÓN
PROBLEMA Nº 1 Un iglú tiene forma hemiesférica (radio interior: 1,8 m) y su pared está construida por nieve compactada (0,5 m de espesor). El coeficiente de transmisión de calor del aire en el interior del iglú es de 6 W m-2 K-1, mientras que el coeficiente de transmisión de calor del aire exterior es de 15 W m-2 K-1, enlas condiciones normales del viento ártico. La conductividad térmica de la nieve compactada de la pared del iglú y del suelo de hielo es de 0,15 W m-1 K-1. La temperatura del suelo sobre el que está construido el iglú es de 253 K. a) Suponiendo que los cuerpos de los ocupantes del iglú proporcionan una fuente continua de calor de 320 W, calcular la temperatura del aire interior del iglú cuando latemperatura del aire exterior es de 233 K. No hay que olvidarse de la pérdida de calor a través del suelo del iglú. b) Determinar las variables que tienen un efecto significativo en la temperatura del aire en el interior del iglú. Por ejemplo, si las condiciones del aire exterior (elevada velocidad del viento) hacen que su coeficiente de transmisión de calor sea el doble que en la situaciónnormal, ¿tiene sentido construir el iglú con un espesor de pared doble o mitad del espesor en la situación normal (0,5 m)? PROBLEMA Nº 2 Los dos extremos de una barra de cobre (K = 396 W m-2 K-1) en forma de U de 0,6 cm de diámetro están rígidamente empotrados en una pared vertical. La temperatura de la pared se mantiene a 93°C. La longitud desarrollada de la barra es de 0,6 m y está expuesta al aire a38°C. El coeficiente de transferencia de calor por radiación y convección combinado para este sistema es de 34 W m-2 K-1. Calcular: a) la temperatura del punto medio de la barra. b) la velocidad de transmisión de calor de la barra. PROBLEMA Nº 3 Una placa de acero cuadrada de 1 m de lado y 1 cm de espesor se expone a la luz del sol y absorbe un flujo solar de 800 W m-2. La parte inferior de laplaca está aislada, los bordes se mantienen a 20°C mediante abrazaderas enfriadas por agua y la cara expuesta se enfría mediante convección con el ambiente a 10°C. La placa está pulida para reducir al mínimo la rerradiación desde la superficie de la placa al exterior. Utilizando una separación entre nodos de 20 cm: a) Determinar la distribución de temperaturas en la placa. b) Repetir el apartadoanterior pero suponiendo que la placa se ha oxidado con el tiempo de modo que la emisividad superficial es 0,5 y en consecuencia, además de la convección con el exterior se superpone el mecanismo de radiación. DATOS Y NOTAS:  Conductividad térmica del acero, K = 40 W m-1 K-1.  Coeficiente de convección con el aire, h = 10 W m-2 K-1. 2  Coeficiente de radiación, h r      T 2  Ta  T  Ta ,siendo Ti la temperatura del solido y Ta, la del medio ambiente.  = 5,670 10-8 W m-2 K-4.

i

i



PROBLEMA Nº 4 Una barra de acero (k = 40 W m-1 K-1;  = 1,17 10-5 m2 s-1) de 120 cm de largo y 3 cm de diámetro está aislada por completo excepto por sus caras extremas, una de las cuales está en contacto con aire a 20 °C y la otra con un gas de combustión a 500°C. a) Determinar el perfilde temperatura entre los extremos de la barra, y el caudal de calor transmitido a través de la misma. b) Suponiendo que se cambian las condiciones del sistema de forma que la temperatura del gas de combustión aumenta hasta 1000°C, plantear las ecuaciones necesarias para poder determinar las temperaturas en el interior de la barra durante el estado transitorio necesario para que se alcance el nuevoestado estacionario. DATOS Y NOTAS:  Coeficientes de transporte de calor por convección. Aire: 150 W m-2 K-1; Gas: 250 W m-2 K-1.  Utilizar una red nodal con un espaciado de 20 cm. Para expresar las ecuaciones del apartado b, utilizar el método explícito. PROBLEMA Nº 5 Un cilindro de cobre de 6 m de longitud y 0,6 m de diámetro a una temperatura inicial de 40°C se introduce en un baño de agua...