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Transferencia de calor en un cilindro metálico - Prof. Marquez, Ejercicios de Calor y Transferencia de Masa

Academia Nacional de Aprendizaje (ANDAP) - FacatativáCalor y Transferencia de Masa
Prof. Luis Marquez

Un ejercicio resuelto sobre la transferencia de calor en un cilindro metálico. Se describen los datos experimentales, como el diámetro y longitud del cilindro, la velocidad y temperatura del aire, y la potencia disipada por el calentador eléctrico. Se calcula el coeficiente convectivo de transferencia de calor a partir de los datos experimentales y se compara con el valor obtenido mediante una correlación empírica. El documento incluye el desarrollo de los cálculos, la selección de la ecuación apropiada para flujo externo en tubos circulares, y la verificación de los requisitos de aplicabilidad de la correlación. El resultado final muestra que los valores obtenidos por ambos métodos son bastante cercanos. Este ejercicio resuelto podría ser útil para estudiantes de cursos relacionados con transferencia de calor, mecánica de fluidos o ingeniería térmica, ya que les permite comprender los pasos a seguir para resolver este tipo de problemas de forma práctica.

Tipo: Ejercicios

2022/2023

Subido el 20/05/2024

jaque-ra-1
jaque-ra-1 🇨🇴

4 documentos

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bg1
EJERCICIORESUELTON°4.TRANSFERENCIADECALOR
Sehanefectuadoexperimentossobreuncilindrometálicode12,7mmdediámetroy94mmde
longitud.Elcilindrosecalientainternamentemedianteuncalentadoreléctricoysesujetaaun
flujocruzadodeaireenuntúneldevientodebajavelocidad.Enunconjuntoespecíficode
condicionesdeoperaciónenquelavelocidadytemperaturadelairesemantuvieronaV=10m/sy
T=26,2°Csemidióqueladisipacióndepotenciadelcalentadorfuede46Wmientrasquela
temperaturasuperficialdelcilindrofue128,4°C.Seestimaqueel15%deladisipacióndepotencia
sepierdeporefectoderadiación.
a) Determineelcoeficienteconvectivoapartirdeobservacionesexperimentales.
b) Compareelresultadoexperimentalconelcoeficienteconvectivocalculadoapartirdeuna
correlaciónapropiada.
Apartirdelasecuacionesexperimentales,elcoeficienteconvectivopuededeterminarseaplicando
laecuacióndelaleydeenfriamientodenewton.
DATOS
Taire=26,2°C=299,35K
Tsuperfcilindro=128,4°C=401,55°K
Vaire=10m/s
Potcalentador=46W
Sepierde15%delapotencia
Comoelejercicioindicaunapérdidade15%depotenciaentonceslapotenciarestanteesde
39,1W.
Porotraparteesnecesarialadeterminacióndelárealongitudinaldelcilindro
2... 2..6,3510.9410 3,7510
Acontinuaciónprocedemosadeterminarelvalordelcoeficienteconvectivodetransferenciade
calorperoapartirdedatosexperimentales.

.󰇛 󰇜 39,1
3,75.10.󰇛401,55 299,35󰇜102
.
Paralasegundapartedeesteejerciciodebemosdeterminarelcoeficienteconvectivode
transferenciadecalorperoapartirdecorrelacionesempíricas(estascorrelacionesseencuentran
publicadasenelsalónvirtual).Estascorrelacioneslashayparaflujointernoyexternoatravésde
tuberíasodesuperficiesplanas.
Paracontinuardebemosidentificarsielflujoqueestamosevaluandoesinternooexterno;como
esairequesehacecircularsobrelasuperficiedeuntuboquesecalientainternamentemediante
unaresistenciaentoncesesflujoexterno.Porloquedebemosseleccionarenlatablauna
ecuaciónparatuberíacircularyparaflujoexterno.

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¡Descarga Transferencia de calor en un cilindro metálico - Prof. Marquez y más Ejercicios en PDF de Calor y Transferencia de Masa solo en Docsity!

EJERCICIO RESUELTO N°4. TRANSFERENCIA DE CALOR

Se han efectuado experimentos sobre un cilindro metálico de 12,7mm de diámetro y 94mm de longitud. El cilindro se calienta internamente mediante un calentador eléctrico y se sujeta a un flujo cruzado de aire en un túnel de viento de baja velocidad. En un conjunto específico de condiciones de operación en que la velocidad y temperatura del aire se mantuvieron a V=10m/s y T=26,2°C se midió que la disipación de potencia del calentador fue de 46W mientras que la temperatura superficial del cilindro fue 128,4°C. Se estima que el 15% de la disipación de potencia se pierde por efecto de radiación. a) Determine el coeficiente convectivo a partir de observaciones experimentales. b) Compare el resultado experimental con el coeficiente convectivo calculado a partir de una correlación apropiada.

A partir de las ecuaciones experimentales, el coeficiente convectivo puede determinarse aplicando la ecuación de la ley de enfriamiento de newton.

DATOS Taire=26,2°C=299,35K Tsuperf cilindro=128,4°C=401,55°K Vaire=10m/s Pot calentador=46W Se pierde 15% de la potencia

Como el ejercicio indica una pérdida de 15% de potencia entonces la potencia restante es de 39,1W.

Por otra parte es necesaria la determinación del área longitudinal del cilindro

ܣൌ 2. ܮ .ݎ .ߨൌ 2. 10ݔ6,35 .ߨି ݉ଷ^. 9410ݔି ݉ଷ^ ൌ 3,7510ݔି ݉ଷ^ ଶ

A continuación procedemos a determinar el valor del coeficiente convectivo de transferencia de calor pero a partir de datos experimentales.

ሻ݁ݎ ݅ܽܶെ ݌ݑݏܶሺ .ܣ ൌ^

3,75. 10ି ݉ଷ^ ଶ^. ሺ401,55 െ 299,35ሻܭ ൌ

Para la segunda parte de este ejercicio debemos determinar el coeficiente convectivo de transferencia de calor pero a partir de correlaciones empíricas (estas correlaciones se encuentran publicadas en el salón virtual). Estas correlaciones las hay para flujo interno y externo a través de tuberías o de superficies planas.

Para continuar debemos identificar si el flujo que estamos evaluando es interno o externo; como es aire que se hace circular sobre la superficie de un tubo que se calienta internamente mediante una resistencia entonces es flujo externo. Por lo que debemos seleccionar en la tabla una ecuación para tubería circular y para flujo externo.

En la tabla seleccionamos la ecuación 7.

ܰ ݑ (^) ஽ ܴ݁.ܥ ൌ (^) ஽௠^ ݎ ܲ. ௡^. ൬ܲ

ଵ/ସ

Esta ecuación se encuentra en función de unas constantes m y C las cuales pueden obtener de la siguiente tabla: ReD C m 1 ‐ 40 0,75 0, 40 ‐ 1000 0,51 0, 10 3 ‐2x10 5 0,26 0, 2x10 5 ‐ 10 6 0,076 0,

Mientras el valor de n se indica de acuerdo al número de Prandtl Pr ≤ 10 Pr > 10 n=0,37 n=0,

Cada ecuación semi empírica está sujeta a ciertas restricciones que deben cumplirse para poder aplicarse, en este caso deben cumplirse las siguientes:  Las propiedades son evaluadas a T∞ (propiedades tales como: densidad, viscosidad, viscosidad cinemática, etc.).  1 < Re (^) D < 10 6  0,7 < Pr < 500

Para aplicar la ecuación seleccionada debemos calcular el NRe, de acuerdo a la siguiente ecuación:

ܴ݁ܰ ஽ ൌ

Donde D= es el diámetro de la tubería, V= es la velocidad del fluido y ν= es la viscosidad cinemática

ܴ݁ܰ ஽ ൌ

12,710ݔି ݉ଷ^. 10݉ ݏ

15,8910ݔି ݉଺^

ଶ ݏ

El valor del número de Prandtl lo podemos obtener de las tablas de propiedades termofísicas para aire publicadas en el salón virtual.(se presenta un fragmento a continuación)