El documento presenta 9 problemas de transferencia de calor que involucran situaciones como: 1) calcular el perfil de temperaturas en una esfera bajo conducción unidimensional, 2) calcular las temperaturas y pérdidas de calor en una pared de horno industrial, y 3) calcular temperaturas, pérdidas de calor y ecuaciones en una tubería con aislamiento térmico. Los otros problemas implican calcular tiempos de cocción de alimentos u obtener temperaturas finales usando balances de calor con convección, conducción y cambios de f

1. Operaciones básicas Boletín 2 (Tema 4) GIPQI (12-13)
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1.- Deduce el perfil de temperaturas para una esfera bajo las condiciones de conducción unidimensional en
estado estacionario.
2.- La temperatura en el interior de un horno industrial es de 1000ºC. Como se esquematiza en la figura, el
horno está construido por una pared interna de ladrillo refractario (k1=0,5 W/m K) de 10 cm de espesor y
otra externa de un aislante (k2= 0,2 W/m K) de 15 cm de espesor. Teniendo en cuenta que la temperatura
exterior del ambiente es de 30ºC, calcular el caudal de calor perdido a través de una de las paredes del horno
(A=6m2
) y las temperaturas en las paredes interior, exterior y entre ambas paredes sólidas.
Datos: Aire del horno: hr
h
= 9 W/m2
K; hc
h
=15 W/m2
K
Aire exterior: hc
e
= 10 W/m2
K
3.- Un fluido caliente circula por una conducción cilíndrica (k1=0,23 W/mºC) de 5,3 cm de diámetro interno
y 6 cm de diámetro externo (l1= 0,35 cm). El tubo se encuentra rodeado por una primera capa de aislante
(k2= 0,0006 W/mºC) de alta temperatura de 3 cm de espesor (l2= 3cm) y esta a su vez, de otra segunda capa
de aislante (k3= 0,0004 W/mºC) de 7 cm de espesor (l3= 7cm). En un punto determinado de la conducción, la
temperatura de la pared interna del tubo es de 500ºC, y la del aire exterior es de 30ºC. Calcular:
a) las temperaturas en las superficies de separación del tubo y el primer aislante, entre ambos aislantes y
entre el segundo aislante y el aire exterior,
b) la pérdida de calor por metro lineal de tubo,
c) la ecuación representativa del perfil de temperatura en el segundo aislante.
Datos: Coeficiente individual de transmisión de calor en el aire. hc= 50 W/m2
ºC.
4.- Calcular el tiempo de cocción de una judía por inmersión en agua caliente a 110ºC. Considerar que el
proceso finaliza cuando la temperatura en el centro de la judía alcanza 95ºC. Suponer que la judía tiene
forma de paralelepípedo con un espesor de 2 mm, que inicialmente está a 0ºC, y que el resto de las
dimensiones son suficientemente grandes para que pueda considerarse transmisión de calor unidimensional.
Datos: Judía: k= 0,5 W/m K, = 1300 kg/m3
, cp= 4500 J/kg K.
Agua: Tw= 110ºC, hc= 50 W/m2
K
5.- Calcular el tiempo de cocción de una patata por inmersión de la misma en agua caliente a 120ºC.
Considerar que el proceso finaliza cuando la temperatura en el centro de la patata es de 85ºC. Suponer que la
patata tiene forma esférica con un radio de 4 cm y que antes de introducirla en el agua se encuentra a 20ºC.
Datos: Patata: k= 0,6 W/m K, = 1100 kg/m3
, cp= 3,5 kJ/kg K
Agua: Tw= 120ºC, hc= 1500 W/m2
K
Convección y radiación
hr
h hc
h k1 hc
ek2
Conducción Convección
T1=1000ºC
T2
T5=30ºC
T4
T3
l1=10 cm l2=15 cm
qr
h
qc
h
qk1 qk2
qc
e
HORNO AIRELadrillo
refractario
Aislante
Convección y radiación
hr
h hc
h k1 hc
ek2
Conducción Convección
T1=1000ºC
T2
T5=30ºC
T4
T3
l1=10 cm l2=15 cm
qr
h
qc
h
qk1 qk2
qc
e
HORNO AIRELadrillo
refractario
Aislante

2. Operaciones básicas Boletín 2 (Tema 4) GIPQI (12-13)
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6.- Un caudal másico de 0,2 kg/s de agua se calienta por el interior de una tubería desde 20ºC hasta 60ºC
(diámetro interno de la tubería= 2,5 cm). La superficie interior de la tubería se mantiene a 90ºC. Calcular el
coeficiente de convección si la tubería tiene 1 m de longitud.
7.- Un reactivo líquido es transportado a 80ºC por el interior de una tubería de 2,5 cm de diámetro interno. El
coeficiente de convección del lado interno vale 10 W/m2
ºC, la tubería es de acero (k= 43 W/mºC) y de
0,5 cm de espesor, el ambiente exterior está a 20ºC y el coeficiente de convección de ese lado vale
100 W/m2
·ºC. Calcular el valor del coeficiente global de transmisión de calor y las pérdidas en un tramo de
1 m de tubería.
8.- Calcular la temperatura alcanzada en 5 minutos por un fluido (densidad, 980 kg/m3
) contenido en un
recipiente semiesférico con camisa de vapor. El radio del recipiente es 0,5 m, el coeficiente de convección es
5000 W/m2
ºC, la temperatura en la superficie interior del recipiente es 90ºC y la temperatura inicial del
fluido es 20ºC. Calor específico del fluido 3,95 kJ/kg ºC.
9.- Calcular el tiempo necesario para que la temperatura en el centro de una esfera de 6 cm de diámetro
mantenida en el seno de una corriente de agua a 2ºC sea 3ºC. La temperatura inicial (uniforme) en la esfera
es 15ºC. El coeficiente de convección en el agua es 50 W/m2
ºC. Las propiedades de la esfera son:
conductividad térmica 0,355 W/m ºC; calor específico 3,6 kJ/kg ºC; densidad 820 kg/m3
.