problemas de transferencia de calor

PROBLEMAS
DE TRANSFERENCIA DE CALOR
1.-
Un condensador de tubos y coraza, construido con tubos verticales de cobre de ¾ “ 16 BWG, se utilizará
para condensar clorobenceno a la presión atmosférica en el lado de la coraza. El calor latente de
condensación del clorobenceno es 139,7 Btu / lb. La longitud de los tubos es de 5 ft y por su interior circula
el agua de refrigeración a la temperatura media de 175 ºF. Si el coeficiente del lado del agua es 400 Btu /
hr. ft2. ºF, calcular :
a).El coeficiente de condensación del clorobenceno
b).El valor de dicho coeficiente para un condensador horizontal del mismo número de tubos, sabiendo
que el número medio de tubos parar un montaje vertical es de seis ( 06 ).
Despreciar los factores de ensuciamiento y la resistencia de la pared del tubo.
2.-
62 000 lb / hr de alcohol etílico puro a 2,0 lbf / plg² g , deberá condensarse con agua de 85 ºF a 120 ºF .
Debe considerarse un factor de obstrucción de 0,003. Se permite una caída de presión de 2,0 lbf / plg² para
el vapor y de 10,0 lbf / plg² para el agua.
Calcule el tamaño requerido para un condensador 1 – 2 horizontal, usando tubos de 1 plg DE , 14 BWG ,
16 ft de largo y arreglo triangular de 1 ¼ inch..
3.-
Usando los datos del problema anterior, calcule el tamaño de un condensador vertical 1 – 2 para las mismas
condiciones.
4.-
Una solución de coloides orgánicos en agua, ha de concentrarse desde el 10 % hasta un 50 % de sólidos en
un evaporador de simple efecto. Se dispone de vapor de agua saturado a la temperatura de 120 ºC. En la
cámara de evaporación se mantendrá una presión absoluta de 100 mm de Hg, que corresponde a una
temperatura de ebullición del agua a 51,6 ºC. La velocidad de alimentación del evaporador es de
25 000 kg / hr. El coeficiente global de transmisión de calor se puede tomar igual a 2 400 Kcal / m². hr. ºC;
tanto la elevación del punto de ebullición como el calor de disolución pueden considerarse despreciables.
Calcular el consumo y la economía de vapor, así como la superficie de calefacción necesaria, si la
temperatura de la alimentación es :
a).51,6 ºC b).21 ºC
c).93 ºC
El calor específico de la alimentación es 0,90 y el calor latente de vaporización de la solución puede
tomarse igual al del agua pura. Las pérdidas de calor por radiación se consideran despreciables.
5.-
Un evaporador de simple efecto se utiliza para concentrar 10 000 kg / hr de una solución de NaOH desde el
20 % hasta el 50 % de sólidos. La presión absoluta del vapor de agua es de 2,44 kg f / cm² y la presión
absoluta en el espacio del vapor es de 100 mm de Hg ( 0,136 kgf / cm² ). El valor estimado del coeficiente
global es de 1 250 Kcal / m². hr. ºC;. La temperatura de la alimentación es de 40 ºC.
Calcule el consumo de vapor, la economía del vapor yla superficie de calentamiento necesaria.
6.-
Determinar el área de calentamiento requerida para la producción de 10 000 lb / hr de una solución de
NaOH al 50 % a partir de una carga de solución del mismo producto al 10 % que entra a 100 ºF, la
evaporaciones va a llevar a cabo en un evaporador normal de cuerpo sencillo para el cual se espera un
coeficiente global de 500 Btu / hr. ft2. ºF . El vapor disponible está saturado a 50 psig y el evaporador puede
operarse a 10 psi el vacío relativo con respecto a una presión barométrica de 14,7 psia.
7.-
Se desea concentrar en un evaporador de triple efecto una solución cuya elevación del punto de ebullición
es despreciable, desde el 10 % hasta el 50 % de sólidos. Se dispone de vapor de agua saturado a la presión
absoluta de 2 kgf / cm² ( 119,6 ºC ). La presión en el tercer efecto es de 100 mm de Hg, que corresponde a
una temperatura de ebullición de 51,6 ºC. La alimentación es de 25 000 kg / hr y está a la temperatura de 21
ºC. El calor específico de la solución puede considerarse igual a 1,00 Kcal / kg. ºC a todas las
concentraciones. Se estima que los coeficientes globales, en Kcal / m² hr.ºC serán : 2 700 en el primer
efecto, 1 700 en el segundo efecto y 975 en el tercer efecto para el,.caso de la alimentación en corrientes
paralelas. La superficie de calefacción es la misma en todos los efectos.
Calcular la superficie de calefacción necesaria, el consumo de vapor vivo, la distribución de temperaturas,
la economía del vapor en cada efecto y la economía global.
8.-
Se secan tablas de madera de 2,5 cm de espesor desde una humedad inicial del 25 % hasta una humedad
final del 5 % empleando aire prácticamente seco. Si el valor de la difusividad D AB para la madera es de 3 x
10 – 6 m² / hr. Calcúlese el tiempo necesario para el secado.
9.-
Algodón con una densidad de 0,7 gr / cm3 se va a secar en forma intermitente mediante un secador de
bandejas iniciándose con un contenido de humedad de 1 lb H2O / lb sólido seco, hasta llegar a 0,1 lb H2O /
lb sólido seco. Las bandejas tienen 2 ft² de superficie y ½ inch de espesor; están arregladas en tal forma
que el secado se presenta desde la superficie superior únicamente, ya que el fondo está aislado. El aire entra
y circula a 160 ºF con una temperatura de bulbo húmedo de 120 ºF y a razón de un flujo de masa de 500 lb
/ hr. ft². Las experiencias previas con tal tipo de secadores indican que el contenido crítico de humedad
estará en 0,4 lb H2O / lb sólido seco y que la velocidad de secado durante el periodo de velocidad
decreciente será proporcional al contenido de humedad libre. Determinar el tiempo necesario para el
secado.
10.-
Una lámina con peso inicial 5 kg contiene 50 % de humedad ( base húmeda ) y sus dimensiones son : 60 x
100 x 8 cm. La humedad de equilibrio, cuando está en contacto con airea 25 ºC y 20 % de humedad, es el 5
% del peso total. En la tabla siguiente se da la velocidad de secado para el contacto con el aire
anteriormente indicado y a una velocidad determinada .
El secado se realiza por una sola cara. Calcular el tiempo de secado necesario para obtener un producto con
una humedad final del 15 % ( base húmeda ).
Peso de lámina
Húmeda kgr.
Velocidad de
Secado kg / m². hr.
9,1
7,2
5,3
4,2
3,3
2,8
2,5
5,0
5,0
4,5
4,0
3,5
2,0
1,0
11.-
Se desea diseñar un secadero continuo con flujo en contracorriente para secar 250 kg de sólido poroso por
hora, desde una humedad del 60 % hasta el 10 %, ambas en base húmeda. Se ha de emplear aire cuyas
temperaturas seca y húmeda son 50 ºC y 25 ºC respectivamente. La humedad del aire a la salida ha de ser
0,012, la humedad media de equilibrio del sólido es el 5 % del peso seco. La humedad total ( base húmeda )
en el punto crítico es del 30 %. Se supone que el sólido permanece a una temperatura 1,5 ºC superior a la
temperatura húmeda del aire dentro del secadero. El coeficiente de transferencia de masa K Y es 245 kg /
m². hr. ( unidad de humedad ). La superficie expuesta al aire es de 0,2 m² por kg de sólido seco. Calcúlese
el tiempo que ha de permanecer el sólido dentro del secadero.
12.-
Un secador produce 363 kg / hr. de un material que contiene 11,1 % de agua cuando se alimenta con un
material que contiene 150 % de agua ( base material seco ).Se suministra aire al secador a 100 ºC con un
punto de rocío de 43,9 ºC y sale de él a 67,8 ºC con una humedad relativa del 50 %. Una parte del aire
húmedo saliente se hace circular de nuevo mezclándolo con aire nuevo a 21,1 ºC con una humedad relativa
de 52 % antes de que sea calentado. Despreciando las pérdidas de calor por radiación y el calor necesario
para calentar las carretillas y el sólido seco; Calcúlese las cantidades de aire y de calor que necesita el
secador.
13.-
Se desea hacerle diseño preliminar o anteproyecto y un presupuesto de costos de un secador rotatorio
directo para secar 454 kg / hr. de un material cristalino, con densidad del material a granel en seco igual a
640 kg / m3 , desde 0,15 a 0,005 kg H2O / kg sólido seco. El material se descarga continuamente desde una
centrífuga a 21,1 ºC, temperatura mínima. El calor específico del material seco es 0,2 Kcal / kg. ºC. Casi
toda el agua que contiene el material es humedad superficial y no puede calentarse a una temperatura
mayor a 150 ºC sin correr el peligro de que se descomponga rápidamente y arda. Los ensayos preliminares
realizados indicaron que el material puede manejarse satisfactoriamente en un secador rotatorio. La
temperatura mínima del aire en el edificio en el cual estará el secador es 15,5 ºC.