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Auteur Author: franbartome
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Description 

TRANSMISIÓN DE CALOR. 2º Curso Grado en Enxeñaría Química

BOLETÍN 3. Tema 4
1. En el problema 7 del Boletín 1, se hacía referencia al proceso de termorregulación del cuerpo
humano y se determinó la pérdida de calor desde el mismo en aire y en agua. Se van a
considerar las mismas condiciones de dicho problema, excepto que la temperatura de los
alrededores se toma ahora como 10ºC, tanto para el aire como el agua, y que para reducir las
pérdidas de calor, la persona se viste con un traje deportivo especial (para nieve y agua),
dependiendo del caso. El traje está hecho de un material nanoestructurado aislante con una
conductividad térmica muy baja de 0,014 W/m·K. La emisividad de la superficie exterior para
ambos trajes es igual a 0,95, ¿cuál será el espesor adecuado del traje para que la pérdida de calor
se reduzca a 100 W en aire y en agua? ¿Cuál es la temperatura correspondiente de la superficie
de la piel?
Datos conocidos: Considere una persona con una capa de piel/grasa de espesor L = 3 mm y una
conductividad térmica efectiva de k = 0,3 W/m·K. La emisividad de la piel es 0,95. Los
coeficientes de convección son h = 2 W/m2·K para el aire y h = 200 W/m2·K, para el agua. El
coeficiente de radiación puede considerarse de 5,9 W/m2·K. La persona tiene una superficie
exterior de 1,8 m2.

2. Una esfera hueca de aluminio con un calentador eléctrico en el centro, se utiliza en pruebas
para determinar la conductividad térmica de materiales aislantes. Los radios interno y externo de
la esfera son, respectivamente, 0,15 y 0,18 m, y la prueba se hace en condiciones estacionarias
en las que la superficie interna del aluminio se mantiene a 250ºC. En un experimento particular,
una capa esférica de aislante se funde sobre la superficie externa de la esfera alcanzando un
espesor de 0,12 m. El sistema está en una sala donde la temperatura del aire es 20ºC y el
coeficiente de convección en la superficie externa del aislante es 30 W/m2·K. Si se disipan 80
W del calentador bajo condiciones estacionarias, ¿cuál es la conductividad térmica del aislante?

3. Se ha sugerido que existe un espesor de aislante óptimo para sistemas radiales debido a la
presencia de efectos competitivos asociados con el aumento de este espesor. En particular,
aunque la resistencia a la conducción aumenta al añadir aislantes, la resistencia a la convección
disminuye debido al aumento del área superficial externa. Por ello, debe existir un espesor de
aislante que minimiza la pérdida de calor al maximizar la resistencia total a la transmisión de
calor.
a) Resuelva este problema considerando que un tubo de cobre de pared delgada de radio ri
se utiliza para transportar un fluido refrigerante a una temperatura Ti inferior a la del
aire ambiente T que rodea el tubo, ¿existe un espesor óptimo asociado con la
aplicación de aislamiento al tubo?
b) Confirme el resultado anterior con el cálculo de la resistencia térmica total por unidad
de longitud de tubo para un tubo que tiene 10 mm de diámetro con los siguientes
espesores de aislante 0, 2, 5, 10, 20 y 40 mm. El aislante se compone de vidrio celular y
el coeficiente de convección desde la superficie externa es 5 W/m2·K.

4. Considere la conducción unidimensional en una pared plana compuesta. Las superficies
externas se exponen a un fluido a 25ºC y hay un coeficiente de transmisión de calor de 1000
W/m2·K. La pared intermedia B experimenta una generación uniforme de calor qB, y no hay
generación en las paredes A y C. Las temperaturas en las interfases son T1 = 261ºC y T2 =
211ºC.
a) Suponiendo que la resistencia de contacto es despreciable en las interfases, determine la
generación volumétrica de calor qB y la conductividad térmica kB.
b) Elabore una gráfica para la distribución de temperaturas, mostrando sus características
más importantes.
c) Considerando que opera en condiciones que corresponden a una pérdida de refrigerante
en la superficie expuesta de material A (h = 0 W/m2·K), determine T1 y T2 y elabore una
gráfica de la distribución de temperaturas en el sistema.




5. Una aleta recta fabricada con una aleación de aluminio 2024 (k = 185 W/m·K) tiene una
base con espesor de 3 mm y una longitud de 15 mm. La temperatura de la base es Tb = 100ºC y
está en contacto con un fluido a T = 20ºC y h = 50 W/m2·K. Para una aleta de ancho unitario,
compare, en las condiciones anteriores, la velocidad de transmisión de calor, la eficiencia y el
volumen para geometrías rectangular, triangular y parabólica.

6. El cilindro del motor de una motocicleta está fabricado con una aleación de aluminio 2024-
T6. Tiene una altura H = 0,15 m y un diámetro exterior D = 50 mm. Bajo condiciones de
operación típicas, la superficie externa del cilindro está a 500 K y se expone al aire ambiente a
300 K, con un coeficiente de convección de 50 W/m2·K. El cilindro lleva unas aletas angulares
fundidas para aumentar la transmisión de calor con los alrededores. Considere cinco de estas
aletas, de espesor t = 6 mm, longitud L = 20 mm e igualmente espaciadas, ¿cuál es el aumento
de transferencia de calor debido al uso de las aletas?

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