Pédidas de calor en túberías

1. Una tubería de agua caliente de 15 m de longitud y 6 cm de diámetro externo a 80 ºC libera calor al aire de los alrededores a 15 ºC por medio de convección natural con un coeficiente de transferencia de calor de 20 W/m2 ºC. Determinar la tasa de pérdida de calor de la tubería por convección natural, en kW.

Datos:

L=15 m
D= 6 cm= 0.06 m
Tf= 80 ºC
Ts= 15 ºC
hc= 20 W/m2 ºCQcA=hcTf-Ts
Qc=hcTf-TsA
Qc=20 Wm2∙ºC ∙80-15ºC∙15∙0.06m2
Qc=1170 W
Qc=1.17 kW

2. Calcular la eficiencia térmica de un generador de vapor, dados los siguientes datos:

Tasa de agua de alimentación:
Temperatura del agua de alimentación:
Combustible (gas) consumido:
Valor calorífico del combustible:
Presión de descarga del generador:
Calidad del vapor:
650 B/D
70 ºF

450 MPCN/D
960 BTU/PCN780 lpca
80.0 %

a) Calor total liberado
Calor total liberado= Combustible (gas) consumido * Valor calorífico del combustible
Qt=450000PCND∙960BTUPCN=432∙106BTUD
b) Entalpía ganada por el vapor
* Entalpía del vapor
Hw= 507.24 BTU/lb
A 780 psia Tabla 3.4
Lv= 692.93 BTU/lb

Hws=Hw+x∙Lv
Hws=507.24+0.8∙692.93
Hws=1061.584 BTUlb

* Entalpía del agua dealimentación.
Cw= 1.0 BTU/lb-F
Hw=cwTs-32
Hw=1.0BTUlb-F(70-32)F
Hw=38BTUlb

∆H=Hws-Hw=1061.584-38
∆H=1023.584 BTUlb
c) Calor total ganado por el vapor

Calor total ganado por el vapor= Tasa de agua de alimentación * ΔH
Q=650 BD∙350 lb1 B∙1023.584BTUlb
Q=232.9∙106BTUD

d) Eficiencia del generador
Eficiencia del generador=Calor total ganado por el vaporCalor totalliberado

E=232.9∙106 BTUD432.6∙106 BTUD

E=0.538=53.8 %

3. Una tubería de 1000 pies de longitud, diámetro nominal igual a 2.5 pulg y cédula 40, transporta vapor a una tasa de 650 B/D (equivalentes de agua). La presión del vapor a la salida del generador es 780 lpca. Y la emisividad de la superficie exterior de la tubería es igual a 1.0. Calcular las pérdidas de calor, considerandotemperatura ambiente igual a 0 ºF y velocidad del viento despreciable.

Repetir para el caso de tubería aislada con un aislante de magnesio de 1.0 pulg de espesor y conductividad térmica igual a 0.036 BTU/hr- pie- ºF
Tubería desnuda:
Ts=115,1∙ps0,225
Ts=115.1∙7800.225=514.99 F
Tsurf=Ts=514.99 F=974.99 R

Tavg=514.99+02=257.495 F

kha = 0.01328 + 2.417 x 10-5 T – 4.247 x 10-9 T2
kha = 0.01328+ 2.417 x 10-5 (257.495) – 4.247 x 10-9 (257.495)2
kha = 0.019222 BTU/(h-pie-F)

ua = 0.04 + 6.155 x 10-5 T – 1.22 x 10-8 T2
ua = 0.04 + 6.155 x 10-5 (257.495) – 1.22 x 10-8 (257.495)2
ua = 0.055039 lb/(pie-h)

cpa = 0.2382 + 1.39 x 10-5 T + 1.027 x 10-80 T2
cpa = 0.2382 + 1.39 x 10-5 (257.495) + 1.027 x 10-80 (257.495)2
cpa =0.24246 BTU/(lb-F)

ρa = 8.55865 x 10-2 – 1.5531 x 10-4 T +1.65602 x 10-7 T2 – 6.92225 x 10-11 T3
ρa = 8.55865 x 10-2 – 1.5531 x 10-4 (257.495) + 1.65602 x 10-7 (257.495)2 – 6.92225 x 10-11 (257.495)3 ρa = 0.05539326 lb/pie3

βa = 2.15844 x 10-3 – 3.89367 x 10-6 T + 4.12773 x 10-9 T2– 1.71867 x 10-12 T3
βa = 2.15844 x 10-3 – 3.89367 x 10-6 (257.495)+ 4.12773 x 10-9 (257.495)2 – 1.71867 x 10-12 (257.495)3
βa = 0.00140018 1/Fhr=0.1714∙10-81.0974.992+4602974.99+460
hr=2.8585 BTUh-pie2-F

hc∙2.875120.019222=0.532.875123514.99-04.17∙1080.00140018 0.0550390.055393262∙0.24246∙0.0550390.0192220.25
hc=1.7559406 BTUh-pie2-F

Utins=rtolnrinsrtokhins+rtorinshc+hr-1
rto= rins porque no existe aislante
Utins=2.87524ln10.036+11.7559406+2.8585-1=4.61445 BTUh-pie2-F

Respuesta:
Q=2π∙rto∙Utins∙Ts-Ta∙∆LQ=2π∙2.87524∙4.61445∙514.99-0∙1000
Q=1788641.2 BTUh

Tubería aislada:

Ts=115,1∙ps0,225
Ts=115.1∙7800.225=514.99 F

Tsurf=Ts+Ta2=514.99+02=257.495 F=717.495 R

Tavg=257.495 +02=128.747 F

de=2.875+2∙112=0.40625 pie
rins=de2=0.406252=0.203 pie

kha = 0.01328 + 2.417 x 10-5 T – 4.247 x 10-9 T2
kha = 0.01328 + 2.417 x 10-5 (128.747) – 4.247 x 10-9 (128.747)2
kha = 0.0163214 BTU/(h-pie-F)

ua =...