Intercambiadores de Calor(Cineticaquimica)

7/22/2019 Intercambiadores de Calor(Cineticaquimica)

http://slidepdf.com/reader/full/intercambiadores-de-calorcineticaquimica 1/9

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Libro: “Transferencia de Calor y Masa” Autor: Yunus A. CengelEditorial: Mc Graw Hill

Edición: 3ra

Problemas desarrollados

1. Coeficiente de transferencia de calor total de un intercambiador de calor

Se va a enfriar aceite caliente en un intercambiador de calor de tubo doble, a contraflujo.El tubo interior de cobre tiene un diámetro de 2 cm y un espesor despreciable. Eldiámetro interior del tubo exterior (el casco) es de 3 cm. Por el tubo fluye agua a razón de0.5 kg/s y el aceite por el casco a razón de 0.8 kg/s.Tomando las temperaturas promedio del agua y del aceite como 45°C y 80°C,respectivamente, determine el coeficiente de transferencia de calor total de esteintercambiador.

SOLUCIÓN Se va a enfriar aceite caliente por medio de agua en un intercambiador decalor de tubo doble, a contraflujo. Se debe determinar el coeficiente de transferencia decalor total.Suposiciones

1 La resistencia térmica del tubo interior es despreciable, puesto que el material delmismo es intensamente conductor y su espesor es despreciable.2 El flujo del agua así como el del aceite están completamente desarrollados.3 Las propiedades del aceite y del agua son constantes.Propiedades

Las propiedades del agua a 45°C son:

Las propiedades del aceite a 80°C son:

Las propiedades del agua y el aceite, fueron extraídas de las tablas A-9 y A-16

respectivamente; las cuales se encuentran en el apéndice del libro.



Análisis En la figura se da el esquema del intercambiador de calor. El coeficiente detransferencia de calor total U se puede determinar a partir de la ecuación siguiente:

Donde hi y ho son los coeficientes de transferencia de calor por conveccion interior y

exterior del tubo, respectivamente, los cuales se deben determinar usando las relaciones

de la convección forzada.

El diámetro hidráulico para un tubo circular es el diámetro del propio tubo, Dh= D =0.02m.La velocidad media del agua en el tubo y el número de Reynolds son:

A partir del Reynolds, se observa flujo turbulento. Suponiendo que el flujo está

completamente desarrollado, el número de Nusselt se puede determinar a partir de:

Entonces:

Ahora se repite el análisis que se acaba de realizar para el aceite. Las propiedades delaceite a 80°C son



El diámetro hidráulico para el espacio anular es Dh=D0-Di=0.03-0.02=0.01 m

En este caso, la velocidad media y el número de Reynolds son:

El cual es menor que 2 300. Por lo tanto, el flujo del aceite es laminar. Si se supone unflujo completamente desarrollado, con base en la tabla siguiente mostrada, se puededeterminar por interpolación que el número de Nusselt del lado del tubo del espacio

anular. Nui correspondiente a Di /Do = 0.02/0.03 = 0.667 es:

Luego:

Entonces el coeficiente de transferencia de calor

total para este intercambiador queda:

2. Calentamiento de agua en un intercambiador de calor a contraflujo

Se va a calentar agua en un intercambiador de tubo doble a contraflujo, desde

20°C hasta 80°C, a razón de 1.2 kg/s. El calentamiento se va a realizar por medio deagua geotérmica de la que se dispone a 160°C con un gasto de masa de 2 kg/s. Eltubo interior es de pared delgada y tiene un diámetro de 1.5 cm. Si el coeficientede transferencia de calor total del intercambiador es de 640 W/m2 · °C, determinela longitud requerida de ese intercambiador para lograr el calentamiento deseado.



SOLUCIÓN Se va a calentar agua en un intercambiador de tubo doble a contraflujopor medio de agua geotérmica. Se debe determinar la longitud requerida de eseintercambiador de calor.

Suposiciones

Existen condiciones estables de operación. El intercambiador de calor está bien aislado de modo que la pérdida de calor hacia

los alrededores es despreciable. Los cambios en las energías cinéticas y potenciales de las corrientes de los fluidos

son despreciables. No se tiene incrustación. Las propiedades de los fluidos son constantes.

Propiedades Tomamos los calores específicos del agua y del fluido geotérmicocomo 4.18 y 4.31 kJ/kg · °C, respectivamente.

Análisis En la siguiente figura se da el esquema del intercambiador de calor. Lavelocidad de la transferencia de calor en este intercambiador se puede determinara partir de:

Dado que todo este calor es suministrado por el agua geotérmica, se determina que latemperatura de salida de esta agua es:

Conociendo las temperaturas de entrada y de salida de los dos fluidos, la diferencia de

temperatura media logarítmica para este intercambiador a contraflujo queda:



Entonces, se determina que el área superficial del intercambiador, es:

Para proporcionar esta gran área superficial de transferencia de calor, la longitud del tubodebe ser:

3. Calentamiento de glicerina en un intercambiador de calor de pasos múltiples

Se usa un intercambiador de calor de dos pasos por el casco y cuatro pasos por los tubospara calentar glicerina desde 20°C hasta 50°C por medio de agua caliente, la cual entra en

los tubos de pared delgada de 2 cm de diámetro a 80°C y sale a 40°C. La longitud total delos tubos en el intercambiador es de 60 m. El coeficiente de transferencia de calor porconvección es de 25 W/m2 · °C del lado de la glicerina (casco) y de 160 W/m2°C del ladodel agua (tubo). Determine la velocidad de la transferencia de calor en el intercambiadora) antes de que se tenga incrustación y b) después de que se presenta ésta sobre lassuperficies exteriores de los tubos, con un factor de incrustación de 0.0006 m2 · °C/W.

SOLUCIÓN Se calienta glicerina en un intercambiador de calor de dos pasos por el casco ycuatro pasos por los tubos por medio de agua caliente. Se debe determinar la velocidadde la transferencia de calor sin y con incrustación.

Suposiciones Existen condiciones estacionarias de operación. El intercambiador de calor está bien aislado de modo que la pérdida de calor hacia

los alrededores es despreciable. Los cambios en las energías cinéticas y potenciales de las corrientes de los fluidos

son despreciables. Los coeficientes de transferencia de calor y los factores de incrustación son

constantes y uniformes.



La resistencia térmica del tubo interior es despreciable, puesto que dicho tubo esde pared delgada e intensamente conductor.

Análisis Se dice que los tubos son de pared delgada y, como consecuencia, resultarazonable suponer que sus áreas superficiales interior y exterior son iguales.

Entonces el área superficial de transferencia de calor queda:

Se puede determinar la razón de transferencia de calor en este intercambiador apartir de:

En donde F es el factor de corrección y es la diferencia de temperatura medialogarítmica para la disposición a contraflujo. Estas dos cantidades se determinan a partirde:

Y



a. En el caso de no tenerse incrustación, el coeficiente de transferencia de calor totalU es:

Entonces la razón de transferencia de calor queda:

( )

b. Cuando se tiene incrustacion sobre una de las superficis, tenemos

Y

( )

PROBLEMAS PROPUESTOS

1. Se va a calentar aceite de motor (cP = 2 100 J/kg · °C) de 20°C hasta 60°C, a razónde 0.3 kg/s, en un tubo de cobre de pared delgada y de 2 cm de diámetro, pormedio de vapor de agua en condensación que se encuentra afuera a unatemperatura de 130°C (h fg = 2 174 kJ/kg). Para un coeficiente de transferencia decalor total de 650 W/m2 · °C, determine la razón de la transferencia de calor y lalongitud requerida del tubo para lograrlo. (Problema 11.57 del libro)

SOLUCION: Se va a asumir que la pared no ofrece resistencia a la transmisión de calorentre ambos fluidos.Se sabe que:



Además:

Hallando Temperatura media logarítmica:

Reemplazando (3) y (2) en (1), se obtiene:

2. Agua fría (C p= 4 180 J/kg · °C) entra en los tubos de un intercambiador de calor con

dos pasos por la coraza y 20 pasos por los tubos, a 20°C y a razón de 3 kg/s, entanto que aceite caliente (C p= 2 200 J/kg · °C) entra en la coraza a 130°C, con elmismo gasto de masa, y sale a 60°C. Si el coeficiente de transferencia de calortotal, con base en la superficie exterior del tubo, es de 220 W/m2 · °C, determine a)la razón de la transferencia de calor y b) el área superficial de esa transferencia enel lado exterior del tubo. (Problema 11-126 del libro)

SOLUCIÓN:Por datos del problema, ; tanto para el agua como para el aceite.Se sabe lo siguiente:

Además:

Donde F se obtiene del siguiente gráfico:



De donde se puede observar, que:

Hallando la temperatura media logarítmica:

Reemplazando

Intercambiadores de Calor(Cineticaquimica)

Documents

Transcript of Intercambiadores de Calor(Cineticaquimica)