Introducción a las operaciones de separación
Anuncio
Intercambiadores de Calor Intercambiadores de calor Problemas PROBLEMA 1*. Se va a calentar agua (cp = 4,18 kJ/(kg K)) en un intercambiador de calor de doble tubo en contracorriente, desde 20 ºC hasta 80 ºC a razón de 1,2 kg/s. El calentamiento se va a realizar a través de agua caliente (cp = 4,31 kJ/(kg K)) de la que se dispone a 160 ºC con un caudal de 2 kg/s. El tubo interior es de pared delgada y tiene un diámetro de 1,5 cm. Si el coeficiente de transferencia global del intercambiador de calor es de 640 W/(m2 K), determine la longitud requerida para lograr el calentamiento deseado. PROBLEMA 2. Un intercambiador de calor construido con tubos concéntricos tiene una longitud total de 100 m. Un gas caliente fluye por el tubo interno a velocidad másica constante y se enfría desde 230 ºC hasta 150 ºC. Un gas frío fluye por el espacio anular y se calienta desde 70 ºC hasta 150 ºC. Después de recorrer 50 m de tubo, el gas caliente tiene una temperatura media de 190 ºC. Se intenta alargar el intercambiador de calor con el fin de calentar el gas frío desde 70 ºC a 170 ºC. Como antes, el gas caliente entrará a 230 ºC, las velocidades másicas permanecerán con los mismos valores y se despreciará el calor cedido al exterior. Calcule: (a)- La longitud necesaria de intercambiador. (b)- La distancia que ha de recorrer el gas frío, una vez alargado el cambiador, para alcanzar la temperatura de 150 ºC. (c)- La temperatura del gas frío después de recorrer 100 m. PROBLEMA 3*. Utilizando un intercambiador que posee dos pasos por la coraza y cuatro pasos por los tubos, se calienta un fluido de cp = 1,05 kcal/kg ºC, que ingresa a 17 ºC con un caudal de 60 l/min. Como fluido de calefacción se utiliza aire caliente disponible a 207 ºC y con un caudal de 2 kg/s. El área de transferencia del intercambiador es de 36 m 2 y el valor del coeficiente de transferencia global es de 110 W/m2 K. Calcular las temperaturas de salida del fluido y del aire. PROBLEMA 4*. Un condensador consiste en varios tubos de metal de diámetro exterior 25 mm y espesor 2,5 mm. Agua fluyendo a 0,6 m/s, entra a los tubos a 17 ºC y no es permisible que descargue a una temperatura superior a 37 ºC. Si 1,25 kg/s de vapor de un hidrocarburo debe ser condensado a 72 ºC por la parte exterior de los tubos, ¿qué longitud deben tener los tubos y cuántos se necesitarán? Se debe buscar el arreglo más conveniente de modo que el ICQ no tenga una longitud superior a 3,5 m. Considerar que el coeficiente pelicular para el agua vale 2 153 kcal/(h m 2 K) y para el vapor del hidrocarburo, 689 kcal/(h m2 K). Asumir que el coeficiente de transferencia de calor referido al Dext está reducido un 20 % respecto al calculado. El calor latente del vapor de hidrocarburo a 72 ºC es 75,29 kcal/kg. Problemas de Operaciones Unitarias II – 2016 - Ingeniería Química 1 Intercambiadores de Calor PROBLEMA 5. De una prueba para obtener el desempeño de un intercambiador de calor 1-2, se obtuvieron los siguientes datos: - Aceite: cp = 0,5 kcal/(kg ºC), en flujo turbulento en el lado de los tubos, ingresa a 72 ºC con un caudal másico de 2 300 kg/h y sale a 38 ºC. - Agua: fluyendo en el lado de la carcasa, ingresa a 15 ºC y sale a 27 ºC. Un cambio de las condiciones de servicio requiere el enfriamiento de un aceite similar, que tiene una temperatura inicial de 95 ºC, pero a ¾ del flujo másico usado en la prueba anterior. Estimar la temperatura de salida del aceite para el mismo caudal y temperatura de entrada del agua. PROBLEMA 6. Se quieren calentar 44 800 kg/h de una solución de colorantes en una planta manufacturera de alfombras con aceite caliente. La solución de colorantes (cp = 0,9 cal/g ºC) entra a 25 ºC y sale a 80 ºC. Entran 22 500 kg/h de aceite (cp = 0,68 cal/g ºC) a 180 ºC. Diseñar el ICQ de platos utilizando los siguientes datos: - a = 0,310 m2/plato; área de transferencia de calor de cada plato. - fb = 1,05; factor de corrección para u debido a aplicación específica. - fk = 0,89; factor de corrección para u debido a la velocidad de flujo por plato. PROBLEMA 7*. Gases de escape calientes, que ingresan a 300 ºC a un ICQ de tubos con aletas de flujo cruzado y salen a 100 ºC, se utilizan para calentar agua presurizada que circula con un caudal másico de 1 kg/s, de 35 a 125 ºC. El calor específico del gas de escape es de aproximadamente 1 000 J/(kg K), y el coeficiente global de transferencia de calor que se basa en el área superficial del lado del gas es Uh = 100 W/(m2 K). Determinar el área superficial del lado del gas Ah utilizando: - El método del NUT - El método del DTML corregido. Los problemas marcados con un asterisco (*) deberán: - Llevarse resueltos a la clase de problemas. - Presentarse resueltos en la carpeta de Trabajo Prácticos de cada alumno, al finalizar la asignatura. Sitio web: http://www.herrera.unt.edu.ar/operacionesunitarias2y3 Problemas de Operaciones Unitarias II – 2016 - Ingeniería Química 2
