CONVECCIÓN FORZADA EN FLUJO INTERNO
Enviado por arcantos145 • 20 de Marzo de 2013 • 1.439 Palabras (6 Páginas) • 559 Visitas
PROBLEMAS TEMA 7. CONVECCIÓN FORZADA EN
FLUJO INTERNO
Consideraciones térmicas y balance de energía
1. (8.12 del Incropera) Considere una varilla cilíndrica de combustible nuclear de longitud L
y diámetro D que está encerrada en un tubo concéntrico. Por la región anular entre la
varilla y el tubo fluye agua presurizada a un flujo másico m& y la superficie exterior del
tubo está bien aislada. Hay generación de calor dentro de la varilla de combustible y se
sabe que la rapidez de generación volumétrica varía senoidalmente con la distancia a lo
largo de la varilla: ) q&(x) = q&
o
sen(πx/L , siendo qo
& [W/m3
] una constante. Se puede
suponer que existe un coeficiente de convección uniforme entre la superficie de la varilla y
el agua.
a) Obtenga expresiones para el flujo de calor local q′′
(x) y para la transferencia total de
calor q de la varilla de combustible al agua.
b) Obtenga una expresión para la variación de la temperatura media del agua a lo largo
del tubo, T
m(x).
c) Obtenga una expresión para la variación de la temperatura superficial de la varilla a lo
largo del tubo, Ts(x). Desarrolle una expresión para la posición x para la que se
maximiza.
Solución: a)
2
;
4
( )
2
o o
D Lq
q
L
x
sen
Dq
q x
& &
=
′′
=
π
; b)
= + −
L
x
mc
D Lq
T x T
p
o
m m ent
π
1 cos
4
( )
2
,
&
&
;
c)
= −
′′
= +
DLh
L
mc
x
h
q x
T x T x
p
s m máx
&
; arctan
( )
( ) ( )
π
.
2. (8.15 del Incropera) Aire atmosférico entra en la sección caliente de un tubo circular con
un flujo de 0,005 kg/s y una temperatura de 20 ºC. El tubo es de diámetro D = 50 mm y
existen condiciones completamente desarrolladas con h = 25 W/m2
·K sobre toda la
longitud L = 3 m.
a) Para el caso de un flujo de calor superficial uniforme, qs
′′
= 1.000 W/m2
, determine la
transferencia total de calor, q, y la temperatura media del aire que sale del tubo, T
m,sal. Transferencia de Calor / Curso 2010-11
Problemas
38
¿Cuál son los valores de las temperaturas superficiales del tubo en la entrada y en la
salida, Ts,ent y Ts,sal? Dibuje la variación con x de T
m y Ts.
b) Si el flujo de calor superficial varía linealmente con x, ) q (x s
′′
= 500x [W/m2
], ¿cuáles
son los valores de q, T
m,sal, Ts,ent y Ts,sal? Dibuje la variación con x de T
m y Ts.
c) Para cada tipo de proceso de calentamiento anterior, ¿qué flujos de calor se requieren
para alcanzar en la salida una temperatura del aire de T
m,sal = 125 ºC?
Solución: a) q = 471,24 W; T
m,sal = 113,6 ºC; Ts,sal = 153,6 ºC; Ts,ent = 60 ºC; b) q = 353,4
W; T
m,sal = 90,2 ºC; Ts,sal = 150,2 ºC; Ts,ent = 20 ºC; c) qs
′′
= 1.122 W/m2
; ) q (x s
′′
= 748x
[W/m2
].
Correlaciones de transferencia en tubos circulares
3. (8.19 del Incropera) Aceite de motor a razón de 0,02 kg/s fluye por un tubo de 3 mm de
diámetro y de 30 m de longitud. El aceite tiene una temperatura de entrada de 60 ºC,
mientras que la temperatura de la pared del tubo se mantiene a 100 ºC por condensación de
vapor sobre su superficie externa.
a) Estime el coeficiente promedio de transferencia de calor para el flujo interno del aceite.
b) Determine la temperatura de salida del aceite.
c) Calcule la transferencia total de calor al aceite.
Solución: a) h = 201 W/m2
·K; b) T
m,sal = 89,6 ºC; c) q = 1.249 W.
4. (8.24 del Incropera) En las etapas finales de producción se esteriliza un fármaco
calentándolo de 25 a 75 ºC a medida que se mueve a 0,2 m/s por un tubo recto de acero
inoxidable de pared delgada de 12,7 mm de diámetro. Un flujo de calor uniforme se
mantiene mediante un calentador de resistencia eléctrica enrollado alrededor de la
superficie externa del tubo. Si el tubo es de 10 m de longitud, ¿cuál es el flujo de calor que
se requiere? Si entra fluido al tubo con un perfil de velocidad
...