Problemas de intercambiadores de calor

6 de julio de 2007

PROBLEMA No 1 Se desea elevar la temperatura de una corriente de aceite que uye a razn o de 1kg/s de 15o C a 70o C. Se cuenta con una corriente de 0.3kg/s de agua a 95o C.Bastar la a cantidad de agua para calentar el aceite? PROBLEMA No 2 Se desea que cierta caldera genere 3kg/s de vapor de agua a una presin o de 0.13MPa. Una parte del calor desperdiciado se recupera en la forma de 40 kg/s de gases de escape a 300o C. Bastara esta energ para producir el vapor? Tomar Cp=1180 J/kg K para los a gases de escape. PROBLEMA No 3 Se calienta aire desde la temperatura TFE=20o C hasta la TFS=210o C, con gases calientes que evolucionan desde una temperatura inicial TCE=410o C hasta TCS=250o C. Calcular la DTLM para el caso de un intercambiador doble tubo en corrientes paralelas, en contracorriente, para un intercambiador en corrientes entrecruzadas en donde ambas corrientes estn a sin mezclar, y por ultimo para otro en que ambas estn mezcladas a PROBLEMA No 4 Una corriente de vapor saturado a 0.115Mpa entra en un calentador de aire y se condensa sobre tubos horizontales de latn de una pulgada, calibre 18, de 0.7m de o longitud. Los tubos estn colocados en una disposicin alternada de 4 las de 15 tubos cada una, a o con una separacin de 4cm entre los centros. Una corriente de aire entra en los tubos a 1atm, o 285K y a una velocidad de 2m/s. Determinar la temperatura de la salida del aire, la velocidad de consumo de vapor y la ca de presin del lado aire. da o PROBLEMA No 5 Por el interior de un tubo de cobre circula agua que se enfr desde 370K a a 350K con un caudal volumtrico de 1.8m3/h. Al mismo lo ataca una corriente transversal de aire e a 300K a una velocidad de 20m/s. El dimetro exterior del cao es de 25mm con 1mm de espesor a n de pared. Calcular la longitud necesaria de tubo desnudo para producir dicho enfriamiento. Rehacer los clculos para un tubo con aletas circunferenciales de aluminio de 50mm de dimetro a a exterior, 0.8mm de espesor y una separacin entre aletas de 9.5mm (tubo desnudo). o PROBLEMA No 6 En una conguracin similar a la del PROBLEMA No 5, se hace circular o un caudal de 36m3/h vapor sobrecalentado a 1atm, el cual ingresa a una temperatura de 500K abandonando el intercambiador a 400K. El tubo se encuentra sumergido en un recipiente de aceite estanco que se mantiene a una temperatura de 300K. Calcular la longitud de tubo desnudo necesaria para producir dicho enfriamiento y discutir posibles mejoras en el sistema para reducir la longitud del tubo. PROBLEMA No 7 Se quiere disear un intercambiador de calor para precalentar el aire n secundario que alimenta un postquemador que sirve para reducir las emisiones de un motor de combustin interna. La velocidad de ujo de los gases de salida es de 150 kg/h y la velocidad o de ujo de masa del aire secundario debe ser del 10 % de la de los gases. Los gases de descarga salen del postquemador a 850 K, la temperatura ambiente es de 290 K y el aire secundario debe calentarse a 780 K. Como primera propuesta de diseo se ha considerado la posibilidad de n construir un intercambiador de tubos coaxiales en contracorriente usando la tuber de escape a como tubo interior. Si el escape es un tubo de acero de 2 calibre 10 y la coraza exterior propuesta 1 es de 2 2 calibre 10, determine la longitud que debe tener el intercambiador si la coraza esta bien aislada. Comente la factibilidad del diseo. n

PROBLEMA No 8 Se usa un intercambiador de calor en contracorriente para calentar 6kg/s de agua de 35o C a 90o C por medio de 14 kg/s de aceite (Cp=2100 J/kg K) a 150o C. El diseo n indica un valor de 120W/m2K para el coeciente global de transferencia de calor. Se pretende, adems, construir una segunda unidad en otra planta pero se ha propuesto sustituir el intera cambiador por dos intercambiadores en contracorriente mas pequeos, cada uno con un rea de n a transferencia equivalente a la mitad de la del primero. Estos intercambiadores se deben conectar en serie por el lado del agua y en paralelo por el lado del aceite. La corriente de aceite se divide en partes iguales entre los dos intercambiadores y podemos suponer que el coeciente global de transferencia de calor de estos es de 120W/m2K. Compare los rendimientos de estas conguraciones. PROBLEMA No 9 Se enfr aceite en un intercambiador de calor de tubos coaxiales de a corrientes paralelas. Un ujo de 0.1kg/s de agua entra en el tubo interior a 15o C y se calienta hasta 40o C. El aceite uye por el conducto anular y se enfria de 130o C a 55o C. Se ha propuesto reducir la temperatura de salida del aceite aumentando la longitud del intercambiador. Determine las siguientes cantidades: a.- La temperatura m nima que puede alcanzar el aceite b.- La temperatura de salida del aceite en funcin del aumento fraccional de la longitud del intercambiador o c.- La temperatura de salida de cada una de las corrientes si el intercambiador fuera en contracorriente d.- La temperatura m nima que puede alcanzar el aceite si el intercambiador opera en contracorriente e.- El cociente de la longitud que debe tener el intercambiador en contracorriente y la del intercambiador de corrientes paralelas en funcin de la temperatura de salida del aceite. o Ignore el calor cedido a los alrededores e introduzca las suposiciones razonables que sean necesarias. PROBLEMA No 10 Vapor saturado seco a 0.14 Mpa se condensa en un intercambiador de casco y tubos con 1 paso en coraza y 2 pasos en tubos, en donde cada paso esta formado por 128 tubos de 2m de longitud con dimetro interior de 13.4mm y exterior de 15.9mm. El haz a puede considerarse de 8 las por 16 columnas, en donde la separacin entre centros de los tubos o es de 2 veces el dimetro exterior. El agua de enfriamiento entra a 20o C con una velocidad de a 1.25m/s (en cada tubo). Se pide calcular: a.- El coeciente global de transferencia de calor b.La temperatura se salida del agua c.- La masa de vapor condensada PROBLEMA No 11 Se dispone de los siguientes datos a partir de un ensayo de rendimiento de un intercambiador de calor formado por una carcasa y doble paso de tubos. Por el interior de los tubos circula aceite de CpC=2100 Joules/kgK, que penetra en los mismos a 340K y velocidad msica G de 1 kg/seg, y sale a 310K. Por la carcasa circula agua, de forma que cuando a entra en la misma, la temperatura correspondiente es de 290K y sale a 300K. Una variacin en o las condiciones de servicio exige el enfriamiento de un aceite semejante desde una temperatura inicial de 370K, pero con una velocidad de ujo igual a los tres cuartos de la velocidad utilizada en el ensayo previo. Con estos datos determinar la temperatura de salida del aceite, suponiendo que el agua no modica sus caracter sticas. Nota: Para el clculo de los coecientes de conveccin a o tener en cuenta correlaciones de la forma: N u = Cte.Re P r PROBLEMA No 12 Dise o de un evaporador de xido de etileno (EtO) n o Fluye agua por el interior de un tubo de acero mientras que el EtO est a su temperatura de a ebullicin en un recipiente localizado en el exterior del tubo. Se tienen los siguientes parmetros o a

del problema: material del tubo: acero inoxidable 304 espesor de la pared del tubo: tW = 0,035. dimetro externo del tubo: D0 = 3/8 dimetro interno del tubo: Di = D0 2tW . a a conductancia trmica de la pared del tubo: ks = 18 watt (a aprox. 300 K) e mK gal caudal de agua: Qw = 0, 25 min Temperatura de entrada del agua: TW I = 400K Temperatura de ebullicin del EtO: Te = 308K o

PROBLEMA 13 Vapor saturado a 0.14 bar se condensa en un intercambiador de calor de caso y tubos de dos pasos en U. En total son 130 tubos de bronce y la longitud en cada paso es de 2 m. Los tubos tienen dimetro interior y exterior de 13.4 y 15.9 mm respectivamente. El agua a de enfriamiento entra a los tubos a 20o C con una velocidad media de 1.25 m/s. El coeciente de transferencia de calor para la condensacin en las supercies exteriores de los tubos es de 13500 owatt m2K

(a) Determine el coeciente global de transferencia de calor, la temperatura de salida del agua de enfriamiento y el ujo de condensacin del vapor. o (b) Con todas las dems condiciones iguales, pero teniendo en cuenta los cambios en el coeciena te global, dibuje la temperatura de salida del agua de enfriamiento y el ujo de condensacin o de vapor como funcin del ujo de agua para 10 mc 30kg/s. o PROBLEMA No 14 Efectuar el clculo trmico y determinar las dimensiones principales de a e un intercambiador de caor tubular vertical tipo vapor-agua de cuatro pasos destinado a calentar G1 = 30tn/h de agua desde tf 1 = 20 C hasta tf 1 = 95 C. El agua circula por el interior de los tubos de latn [ = 104,5W/(mK)] con dimetro d2 /d1 = 14/12mm a la velocidad o a u = 1,5m/s. Como agente de transmisin de calor para el calentamiento se utiliza vapor de agua o seco y saturado con presin p = 127, 5kP a que se condensa en la supercie externa de los tubos. o Durante el clculo, admitir que las prdidas de calor al ambiente circundante son iguales al 2 % a e del calor que se suministra. El esquema del intercambiador se expone en la gura ??. Respuesta El Gasto de vapor es G2 = 4310kg/h, la supercie de caldeo es F = 20m2 , la cantidad de tubos es n = 200, la altura de los tubos es H = 2,5m.

PROBLEMA No 15 Efectuar el clculo trmico del intercambiador de calor examinado en a e el problema anterior si se eleva la presin del vapor calentador hasta p = 226kP a mientras que o todas las dems condiciones quedan sin variacin. a o Respuesta El Gasto de vapor es G2 = 1,22kg/s, la supercie de caldeo es F = 12,1m2 , la cantidad de tubos es n = 200, la altura de los tubos es H = 1,5m.