Material de trabajo 11
Ejercicio 1
Determine el área superficial de transferencia de calor necesaria para un intercambiador de calor construido de un tubo de diámetro exterior de 0.0254 m para enfriar 6.93 kg/s de una solución de alcohol etílico a 95% (cp = 3810 J/kg K) de 65.6 a 39.4 °C, utilizando 6.30 kg/s de agua disponible a 10 °C. Suponga que el coeficiente global de transferencia de calor basado en el área de los tubos exteriores es 568 W/m2 K y considere cada una de las configuraciones siguientes:
- a) Flujo paralelo en los tubos y la coraza
- b) Contraflujo en los tubos y la coraza
- c) Intercambiador a contraflujo con dos pasos por la coraza y 72 pasos por los tubos, con el alcohol fluyendo a través de la coraza y el agua fluyendo a través de los tubo
Resolución del ejercicio:
Se
utiliza un intercambiador de calor de tubo concéntrico a contraflujo para
enfriar el aceite lubricante de un motor de turbina de gas industrial grande.
El caudal de agua de refrigeración a través del tubo interior (Di = 25 mm) es
de 0,2 kg /s, mientras que el caudal de aceite a través del anillo exterior (Do
= 45 mm) es de 0,1 kg / s. El aceite y el agua entran a temperaturas de 100 y
30 °C, respectivamente. ¿Qué longitud debe tener el tubo si la temperatura de
salida del aceite debe ser de 60 °C?
Resolución del ejercicio:
Material de trabajo 12
Ejercicio 1
En un cambiador de carcasa y tubos se calientan
3,783 kg/s de agua, desde 37,78 °C hasta 54,44°C. Se utiliza agua como fluido caliente,
con un flujo másico de 1,892 kg/s, con un paso en la parte de la carcasa y
entra al cambiador a 93,33 °C. El coeficiente global de transferencia de calor
es de 1419 W/m2 . °C, y la velocidad media del agua en los tubos de 1,905 cm de
diámetro es de 0,366 m/s. Debido a limitaciones de espacio, la longitud del
tubo no debe superar los 2,438 m. Calcúlese el número de pasos de tubo, el
número de tubos por paso, y la longitud de los tubos compatible con esta
restricción.
Resolución del ejercicio:
Ejercicio 2
Se usa un intercambiador de calor con un paso por
la coraza y 20 pasos por los tubos para calentar glicerina (cp = 2 480 J/kg ·
°C) en la coraza con agua caliente en los tubos. Los tubos son de pared delgada
y tienen un diámetro de 4 cm y una longitud de 2 m por paso. El agua entra en
los tubos a 100°C, y sale a 55°C. La glicerina entra en el casco a 15°C y sale
a 55°C. Si el coeficiente de transferencia de calor total es de 572 W/m2 · °C,
Determine el gasto de masa de la glicerina y la razón de la transferencia de
calor.
Resolución del ejercicio:
Material de trabajo 13
Ejercicio 1
Se va a enfriar aceite caliente por medio de agua
en un intercambiador de calor de un paso por el casco y 8 pasos por los tubos.
Los tubos son de pared delgada y están hechos de cobre con un diámetro interno
de 1.4 cm. La longitud de cada paso por los tubos en el intercambiador es de 5
m y el coeficiente de transferencia de calor total es de 310 W/m2 °C. Por los
tubos fluye agua a razón de 0.2 kg/s y por el casco el aceite a razón de 0.3
kg/s. El agua y el aceite entran a las temperaturas de 20°C y 150°C,
respectivamente. Determine la razón de la transferencia de calor en el
intercambiador y las temperaturas de salida del agua y del aceite.
Resolucion del ejercicio:
Un evaporador continuo de efecto simple concentra
9072 kg/h de una solución de sal al 1.0% en peso que entra a 311 K (37.8 oC),
hasta una concentración final de 1.5% en peso. El vapor en el evaporador está a
101.325 kPa (1.0 atm abs) y el vapor de agua que se introduce está saturado a
143.3 kPa. El coeficiente total U = 1 704 W/m2 ' K. Calcule las cantidades de
vapor y de producto líquido, así como el área de transferencia de calor que se
requiere. Puesto que se trata de una solución diluida, suponga que su punto de
ebullición es igual al del agua.
Resolución del ejercicio:
Se usa un evaporador para concentrar 4536 kg/h de
una solución al 20% de NaOH en agua que entra a 60 oC (140 °F) y sale con 50%
de sólidos. La presión del vapor de agua saturado que se usa es 172.4 kPa (25
lb/pulg2 abs) y la presión del vapor en el evaporador es 11.7 kPa (1.71b/pulg2
abs). El coeficiente total de transferencia de calor es 1560 W/m2 • K (275
btu/h • pie2 • °F). Calcule la cantidad de vapor de agua usado, la economía de vapor
en kg vaporizados/kg de vapor de agua usados y el área superficial de
calentamiento en metros cuadrados.
Resolución del ejercicio:
Material de trabajo 14
Ejercicio 1
El condensador de una planta termoeléctrica opera a una presión de 7.38 kPa. A esta presión, el vapor de agua se condensa sobre las superficies exteriores de tubos horizontales por los cuales circula agua de enfriamiento. El diámetro exterior de los tubos es de 3 cm y las superficies exteriores de los mismos se mantienen a 30°C (figura 10-32). Determine
- a) la razón de la transferencia de calor hacia el agua de enfriamiento que está circulando en los tubos.
- b) la razón de la condensación del vapor de agua por unidad de longitud de un tubo horizontal.
Repita el problema de ejemplo anterior para el caso de 12 tubos horizontales dispuestos en un arreglo rectangular de 3 tubos de alto y 4 tubos de ancho, como se muestra en la figura.
Resolución del ejercicio:
Ejercicio 3
Se va a condensar vapor de agua de una planta generadora a una temperatura de 30°C, con agua de enfriamiento de un lago cercano, la cual entra en los tubos del condensador a 14°C y sale a 22°C. El área superficial de los tubos es de 45 m2 y el coeficiente de transferencia de calor total es de 2 100 W/m2 · °C. Determine el gasto de masa necesario de agua de enfriamiento y la razón de la condensación del vapor en el condensador.
Material de trabajo 16
Ejercicio 1
Sobre una masa
molar, la composición del aire seco estándar se da como 78.1% de N2, 20.9% de
O2, 1.0% de Ar y pequeñas cantidades de otros constituyentes (figura 14-12). Si
se considera a estos otros constituyentes como Ar, determine las fracciones de
masa de los constituyentes del aire.
Resolución del ejercicio:
Ejercicio 2
Determine la
fracción molar del aire disuelto en el agua, en la superficie de un lago cuya
temperatura es de 17°C (figura 14-16). Tome la presión atmosférica en el nivel
del lago como 92 kPa.
Material de trabajo 17
Ejercicio 1
Determinar el flux molar de difusión del
H2O a través del aire a 20°C y a la presión atmosférica de la ciudad de Quito a
través de una capa de difusión de 5 cm.
Resolución del ejercicio:
Ejercicio 2
Determinar el flux molar de difusión del
Amoniaco a través del Etileno a una presión atmosférica de como cuidad de Quito
y a una temperatura de15 °C que se efectúa a través de una capa de difusión de
10 cm de longitud. En el extremo 1 la presión parcial del amoniaco 5 x 10-2
atm y en el extremo 2 la presión parcial del amoniaco es 5 x 10-3
atm.
Resolución del ejercicio:
Material de trabajo 18
Ejercicio 1
Se va a
construir una torre empacada con monturas Intalox de cerámica de 1 in. (25.4
mm) para tratar una alimentación de 25000 ft3 (708 m3) de
un gas por hora. El contenido de amoniaco del gas que ingresa es de 2% en
volumen. Agua libre de amoniaco se utiliza como absorbente. La temperatura del
gas y la del agua que ingresan es de 68 ºF (20 ºC); la presión es de 1 atm. La
relación entre flujo del líquido y flujo de gas es de 1.25 lb de líquido por
libra de gas. a) Si la caída de presión de diseño es de 0.5 in. de H2O por pie
de empaque, ¿cuál debería serla masa velocidad del gas y el diámetro de la
torre?
Resolución del ejercicio:
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