Transferencia

IQ46B – Operaciones de Transferencia I
Semestre Primavera 2007
Profesor: Tomás Vargas
Auxiliar: Melanie Colet

Problemas Resueltos - Ejercicio Nº 2.

Problema Nº 1

Para la producción de un cierto producto, se requiere ingresar a un reactor un flujo de agua de 1.800 [m3/hr] a 20 [ºC]. Sin embargo el agua se extrae desde la red pública a sólo 8 [ºC]. Se pretende instalar un intercambiadorde calor de tubos concéntricos el cual utilizará un fluido de alta temperatura con un flujo de 1.000 [m3/hr] a 130 [ºC]. Se le solicita Dimensionar el área A0 del intercambiador de tubos concéntricos.

Datos:

Cp,agua = 1 [cal/gr - ºC]
Cp,fluido = 0,5 [cal/gr - ºC]
(agua = 1.000 [kg/m3]
(fluído = 2.500[kg/m3]

Hint: Utilice el coeficiente de transferencia de calor global U0 = 267,8 [W/m2- ºC]

SOLUCIÓN:

Si se identifican las variables conocidas se tiene: th,in, tc,in, tc,out, flujo frío y flujo caliente.

Este tipo de problemas de dimensionamiento de intercambiadores de tubos concéntricos
posee un algoritmo de solución clásico.

1. Calcular el calor transferido total.
2. Luego, bajo la hipótesis de inexistencia de perdidas de calor, calcular th,out.
3. Finalmente,calcular el área del intercambiador a partir de las ecuaciones:

[pic]

El calor absorbido por el agua se calcula a partir de la siguiente ecuación:

[pic]

Entonces,

[pic]

[pic]

Bajo el supuesto de que no hay pérdidas de calor importantes podemos imponer que:

[pic]

Pero además se tiene que:

[pic]

Luego,

[pic]

Con lo cual se obtiene:

[pic]

- Suponer elfluido en Co – corriente o Flujo Paralelo.

[pic]

Entonces:

[pic]

Calculamos:

[pic]

Luego se puede obtener el área del intercambiador como:

[pic]

[pic]

[pic]

- Suponer el fluido en Contra-corriente.

[pic]

Entonces:

[pic]

Calculamos:

[pic]

Luego se puede obtener el área del intercambiador como:

[pic]

[pic]

[pic]

Se observa una pequeñadisminución del área al utilizar los fluidos en contracorriente, ¿por qué?

Problema Nº 2

Se usa un intercambiador de dos pasos por el casco y cuatro pasos por los tubos para calentar glicerina desde 20 ºC hasta 50 ºC por medio de agua caliente, la cual entra en los tubos de pared delgada de 2 [cm.] de diámetro a 80 ºC y sale a 40 ºC. La longitud total de los tubos en el intercambiador es de 60[m.]. El coeficiente de transferencia de calor por convección es de 25 [W/m2 - ºC] del lado de la glicerina (casco) y de 160 [W/m2 - ºC] del lado del agua (tubo). Determine la velocidad de la transferencia de calor en el intercambiador:

a) Antes de que se tenga incrustación.
b) Después de que se presenta ésta sobre las superficies exteriores de los tubos, con un factor de incrustaciónde 0,0006 [m2 - ºC/W].

SOLUCIÓN:

Se tiene la siguiente situación:

Se calienta glicerina en un intercambiador de calor de dos pasos por el casco y cuatro pasos por los tubos por medio de agua caliente. Se debe determinar la velocidad de la transferencia de calor sin y con incrustaciones.

Suponemos que:

1. Existen condiciones estables de operación.
2. El intercambiador de calorestá bien aislado de modo que la pérdida de calor hacia los alrededores es despreciable y, por consiguiente, la transferencia de calor desde el fluido caliente es igual a la transferencia de calor hacia el fluido frío.
3. Los cambios en las energías cinéticas y potenciales de las corrientes de los fluidos son despreciables.
4. Los coeficientes de transferencia de calor y los factores deincrustación son constantes y uniformes.
5. La resistencia térmica del tubo interno es despreciable, puesto que dicho tubo es de pared delgada e intensamente conductor.

Se dice que los tubos son de pared delgada y, como consecuencia, resulta razonable suponer que sus áreas superficiales interior y exterior son iguales. Entonces, el área superficial de transferencia de calor queda:...