Relacion 9 - Ejercicios radiacion PDF

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Ejercicios radiacion...

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TERMOTECNIA Relación 9 Dpto. de Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos

1.

La potencia emisiva total emitida por la superficie de un colector solar es de 525 W/m2. La distribución espectral de la irradiación sobre la superficie es la que se muestra en la figura, de la cual el 85% se absorbe y el 15% se refleja. Determinar: a) La irradiación total sobre la superficie, y la parte absorbida. b) La radiosidad. c) El flujo neto de radiación que abandona la superficie. Sol: 900 W/m2; 765 W/m2; 660 W/m2; -240 W/m2

2.

Una superficie cuya distribución espectral de la irradiación es la que se muestra en la figura, refleja el 40% de la irradiación, y tiene una potencia emisiva de 600 W/m2. Determinar: a) La irradiación. b) La radiosidad. c) El flujo neto de calor por radiación Sol: 1450 W/m2; 1180 W/m2; -270 W/m2

3.

Considerar un recinto isotermo que se mantiene a 2000 K. Determinar: a) La potencia emisiva de la radiación que sale por la rendija. b) La longitud de onda por debajo de la cual se emite el 10% de toda la radiación. La longitud de onda por encima de la cual se emite el 10% de toda la radiación. c) La máxima potencia de radiación espectral y la longitud de onda a la que ocurre. d) La irradiación incidente en una pequeña superficie alojada en el interior del recinto. Sol: 9,07·105 W/m2; 1,1 µm; 4,69 µm; 411448 W/µm·m2; 1.4489 µm; 9,07·105 W/m2

4.

Una cámara esférica de aluminio de 2 metros de diámetro y vacía se utiliza como cámara para realizar test de radiación. Si la superficie interior se cubre con carbón negro y se mantiene a 600 K, determinar la irradiación sobre una pequeña superficie que está alojada en el interior de la cámara. Sol: 7348 W/m2 El flujo de energía asociado a la radiación incidente solar sobre la parte exterior de la atmósfera es de 1353 W/m2. El diámetro del sol y de la tierra son 1.39·109 y 1.29·107 m, respectivamente, y la distancia entre ambos es de 1.5·1011. Determinar: a) Potencia emisiva solar.

5.

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b) La temperatura superficial del sol si se considera como la de un cuerpo negro. c) La longitud de onda cuya potencia emisiva espectral es máxima. d) Estimar la temperatura de la superficie terrestre, si se asume que ambas superficies se consideran negras y que la del sol es la única fuente de energía. Sol: 6.30·107 W/m2; 5774.07 K; 0.50 µm; 278 K 6.

La emisividad espectral de un material difuso a 2000 K tiene la siguiente distribución. Determinar: a) La emisividad a 2000 K b) La potencia emisiva en el rango entre 0.8 y 2.5 µm. Sol: 0.6361; 307.6 kW/m2

7.

Una superficie difusa a 1600 K tiene una emisividad espectral como se muestra en la figura. Determinar la emisividad total y la potencia emisiva total. Sol: 0,5578; 207,2 kW/m2

8.

Una pequeña esfera metálica sólida tiene una cubierta opaca y difusa con una absortividad espectral como se muestra en la figura. La esfera está inicialmente a 300 K, se introduce en un horno cuyas paredes están a 1200 K. La esfera alcanza la temperatura de la pared del horno. Determinar: a) Para la condición inicial, la absortividad total y la emisividad de la cubierta, así como el flujo neto de calor por radiación que abandona la esfera. b) Para la condición final, la absortividad total y la emisividad de la cubierta. Sol: 0,62; 0,11; -72,8 kW/m2; 0,62; 0,62

9.

Una superficie opaca tiene una distribución espectral de la reflectividad y de la irradiación como se muestra en la figura adjunta. Determinar:

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a) Dibujar la distribución espectral de la absortividad. b) Irradiación total sobre la superficie c) Flujo de radiación que absorbe la superficie d) Absortividad total Sol: 7500 W/m2; 2250 W/m2; 0.30.

10. La absortividad espectral de una superficie opaca se muestra en la figura. Determinar la absortividad solar, αs, si se asume que ελ=αλ y que la superficie está a 340 K. Además determinar la emisividad total. Dato: Tsolar=5800 K. Sol: 0.7743; 0.1

11. Un panel exterior de satélite artificial se mantiene a 300 K con una cubierta opaca y difusa. El panel es blanco con una distribución espectral de reflectividad como se muestra en la figura. El satélite está cerca de su órbita y está expuesto a una irradiación solar de 1353 W/m2, y se considera el espacio a 0 K. Determinar el flujo neto de radiación que abandona el panel. Sol: 180,45 W/m2.

12. Irradiación solar de 1100 W/m2 incide sobre un tejado plano metálico un día en el que la convección por el viento tiene un coeficiente de película de 25 W/m2K. La temperatura exterior del aire es de 27ºC, la absortividad de la cubierta es de 0.60 y la emisividad es de 0.20, y por su cara inferior está bien asilado. Estimar la temperatura del tejado bajo condiciones estacionarias. Sol: 48.6 ºC. 13. Un radiador de un satélite artificial tiene que disipar la potencia eléctrica generada en el interior del satélite al espacio exterior. La superficie del radiador tiene una absortividad solar de 0.5 y una emisividad de 0.95. Determinar la temperatura de equilibrio del

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radiador, si la radiación solar incidente es de 1000 W/m2 y la potencia eléctrica a disipar es de 1500 W/m2. Sol: 438,97 K 14. No es raro que la temperatura nocturna del cielo en un desierto caiga hasta -40ºC. Si la temperatura del aire ambiente es de 20ºC y el coeficiente de convección para ese aire ambiente es aproximadamente 5 W/m2K, determinar si puede congelarse una balsa de agua poco profunda. Sol: 268 K, si congela. 15. Determinar el factor de forma F12 y F21 de las siguientes geometrías: a) Canal largo semiabierto. b) Disco hemiesférico, además determinar F22 y F23. c) La tapa y la camisa de un tubo cilíndrico de igual diámetro que longitud. Sol: a) 0.5; 0.637; b) 1; 0.125; 0.5; 0.375; c) 0.83; 0.21

16. Considerar dos cilindros largos concéntricos con diámetros D1 y D2 y áreas A1 y A2. Determinar: a) Factor de forma F12 b) Obtener la expresión de F22, F21 en función de D1 y D2. Sol: 1; (D2-D1)/D2; D1/D2

17. Considerar dos rectángulos perpendiculares, como los que se muestra en la figura. Determinar el factor de forma, F12. Sol: 0.09

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18. Un horno tiene forma cilíndrica, con diámetro 75 mm y altura 150 mm, tiene la tapadera superior abierta al ambiente que está a 27 ºC. Los lados del horno se consideran aproximadamente como superficies negras, y son calentados mediante una resistencia eléctrica. El lado del horno y la base se deben mantener a 1350 ºC y 1650 ºC, respectivamente. Determinar la potencia eléctrica a suministrar para mantener el horno en equilibrio. Sol: 1837 W

19. Un fluido criogénico fluye por un tubo largo de 20 mm de diámetro, cuya superficie exterior, considerada difusa y gris, tiene una emisividad de 0,02 y está a 77 K. Este tubo es concéntrico a otro de diámetro 50 mm, y cuya superficie interior, considerada gris y difusa, tiene una emisividad de 0,05 y una temperatura de 300 K. El espacio entre ambos tubos está vacío. Determinar: a) La transferencia de calor al fluido criogénico por unidad de longitud de tubo. b) Si se instala una lámina delgada de diámetro 35 mm, que actúa de pantalla entre ambos tubos, y cuya emisividad para ambas caras es de 0,02, calcular el cambio en la transferencia de calor en tanto por ciento por unidad de longitud de tubo. Sol: 0,50 W/m; -50%.

20. Un horno de pintura consiste en un conducto con sección triangular, en el que una pared se mantiene a 1200 K, la otra pared está aislada y la base es por donde pasan las panchas que van a ser pintadas. La base se mantiene a 500 K. El ancho del triángulo, considerado equilátero, es de 1 metro, y la emisividad de la pared caliente y la aislante es de 0,8. La emisividad de la base es de 0,4. Determinar: a) Para un funcionamiento estacionario, la energía a suministrar en la pared caliente, para mantenerla a 1200 K por unidad de longitud de conducto. b) La temperatura de la pared aislada. Sol: 36,98 kW/m; 1102 K

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21. Un horno de secado consiste en un conducto semicircular de diámetro D=1 m, como el que se muestra en la figura. Los materiales se secan en la base, mientras la pared del horno se mantiene a 1200 K. Determinar la capacidad de secado del horno (kg/s·m) por unidad de longitud del horno, si el material húmedo que se debe secar se mantiene a 325 K durante el proceso de secado. Se supone que la lámina de agua y la pared del horno se comportan como cuerpos negros. Sol: 0.048 kg/s·m

22. Un depósito esférico de pared delgada y diámetro de 0.8 m almacena oxígeno líquido. Este depósito es concéntrico a otro de 1.2 metros de diámetro. Las superficies de los depósitos se suponen opacas, difusas y grises con emisividades de 0.05, y están separadas por vacío. Si la superficie exterior está a 280 K, y la superficie interior a 95 K, determinar la masa de oxígeno que se pierde por evaporación. Dato: Calor de vaporización del oxígeno, hfg=2.13·105 J/kg. Sol: 1.14·10-4 kg/s....