transferencia de calor. ejercicios de aplicación. martínez

UNIVERSIDAD MAYORFACULTAD DE INGENIERIA

TRANSFERENCIADE CALOR

Dr. Carlos Martnez P.

Santiago, Abril del 2002

EJERCICIOS DE APLICACION

PROCESOS DE TRANSFERENCIA - EJERCICIOS DE APLICACION

UNIVERSIDAD MAYOR Dr. Carlos Martnez Pavez Abril 2002

2

INDICE

Ejercicio 01 Transferencia de calor 03 Ejercicio 02 Transferencia de calor 04 Ejercicio 03 Intercambiador de calor 07 Ejercicio 04 Evaporador 11



3 Ejercicio 01 Transferencia de calor Un satlite experimental ser lanzado al espacio para realizar algunos importantes experimentos. El satlite estar expuesto a temperaturas de cero absoluto (0K) en el espacio. A su vez, la temperatura de su superficie exterior se estima que alcanzar los 100 C. La superficie exterior del satlite es de aleacin de plata muy pulida que tiene emisividad de 0.062. A objeto de disear el sistema de calefaccin interior, para mantener en condiciones satisfactorias de operacin todo el instrumental, se desea conocer el valor de la prdida de calor que sufre el satlite en W/m2. Desarrollo: En este caso, el satlite es el cuerpo caliente. T1 = -100 + 273 = 173 K T2 = 0 K Q = ( )4241 TT Q = 5.67x10-8 0.062 (1734 0 ) Q = 3.15 W/m2



4 Ejercicio 02 Transferencia de calor Una ventana de vidrio (window glass) de superficie 0.577 m2 y de espesor de 3.18 mm, se instala en una pared de madera de pino blanco (white pine) de una habitacin qua da hacia el exterior. Las dimensiones de la pared son 2.44 x 3.05 m y de espesor 25.4 mm. La temperatura promedio del interior de la habitacin es de 24C y la del exterior (promedio da noche) de slo 2C. Calcular la prdida total de calor (en W), desglosando la prdida por la ventana de vidrio y por la pared. Considere que los coeficientes de transferencia de calor por conveccin dentro de la habitacin (hi) y del medio ambiente (hamb.) tienen un valor de 8.5 W/m2-K.



5 Desarrollo

V

Ambv

v

i

Ambi

TV

TV A

h1

kx

h1

TTR

TQ++

=

=

a) Conveccin y conduccin:

kV = kwindow glass FfthrBTU4.0

=0.4 x 1.7307 = 0.693Km

W

( ) W08.51

5.81

693.000318.0

5.81

557.0224QV =++

=

M

AmbM

M

i

Ambi

TM

TV A

h1

kx

h1

TTR

TQ++

=

=

kM = k white pine = 0.087 1.7307= 0.1506 KmW

( ) W97.374

5.81

1506.00254.0

5.81

885.6224QM =++

=

W1.42697.37408.51QT +=



6 b) Radiacin

90.090.0

M

V

Clculo de TV: 51.08 = 8.5 0.557 (TV 2)

C8.122557.05.8

08.51TV =+

=

( ) ( )[ ] W0.2722738.12273557.09.01067.5Q 448RV =++=

Clculo de TM: 374.97 = 8.5 6.885 (TM 2)

C4.82885.65.897.347TV =+

=

( ) ( )[ ] W7.19322734.8273885.69.01067.5Q 448RM =++=

W7.5687.19397.374QW1.780.2708.51Q

TM

TV

=+=

=+=

W8.6467.5681.78QT =+=



7 Ejercicio 03 Intercambiador de calor Se requiere enfriar 10.08 lb/seg de agua condensada que proviene de la salida de un economizador de una central trmica de una refinera de petrleo. Esta agua se enfriar desde los 200 F hasta 100 F previo al ingreso a la caldera. Se planea aprovechar este calor para calentar 21 lb/seg de heavy fuel oil que entra a 80 F en un intercambiador de haz tubular 1-1 con carcaza de 25 de dimetro con 260 tubos de acero inoxidable de 1 do, 10 ft de longitud, 18 BWG y distribuidos en pitch cuadrado de 1 , que existe en la refinera. A usted se le ha encomendado la tarea de analizar los requerimientos y verificar la factibilidad de la idea.

Propiedades Heavy Fuel Oil Temperatura F Propiedad 80 100 120 140

k, BTU/lb-hr-F 0.075 0.080 0.090 0.100 cp, BTU/lb-F 0.80 0.80 0.80 0.82 , lb/ft3 55 50 45 40 , lb/ft-seg 1510-4 1010-4 410-4 110-4

Usted ha sido informado por el fabricante del intercambiador que la velocidad dentro de los tubos no debe sobrepasar un valor de 1 ft/seg para mantener las prdidas de presin dentro de los lmites aceptables e inferiores a 10 psi. Cul es su conclusin? Responda en forma clara y precisa lo que informar a sus superiores.



8 Desarrollo

F=1 (verdadero contracorriente)

F41.36

2060ln

2060

TTln

TTT

2

1

21ln =

=

=

lnTFAUQ =

Se deber calcular 2 del balance de calor, ( )210Hp0H TTcmQ 22 = ( )

hrBTU1063.31002001360008.10Q

6==

( )120HFpHFO cmQ = ( )8080.03600211063.3 26 += F1402 =

hd1

dd

kx

h1

h1

U1

ln

0

W

W

0io

+++=

300hd = BTU / hr-ft2-F

d0 = 1 ; di = 0.902 (18 BWG)

00047.0kx

W

W=

"95.0

902.01ln

902.01

ddln

ddd

1

0

1oln =

=

=

1000h0 = BTU / hr-ft

2-F (estimado entre 300 y 2000)



9 hi se calcular con Sieder - Tate

14.0

w

33.08.0

ii PrRed

k027.0h

=

F1302

214080

2100200

2TTW =

++

+

=

+=

:W Se saca de la tabla a 130F; =2.5 lb/ft-seg

Propiedades medias: HFO: a F110=

085.0k = BTU / hr-ft-F = 47.5 lb / ft3

410x7 = lb / ft-seg =pc 0.80 BTU / lb -F

14.033.0

480.0

4i 5.27

3600085.0

1078.0

107

5.47112/902.0

12902.0

085.0027.0h

=

73.92hi = BTU / hr-ft

2-F

64.831902.0x73.92

ddhh

0

iiio === BTU / hr-ft

2-F

3001

95.0100047.0

10001

64.831

U1

+++=

6.59U = BTU / hr-ft2-F

2

6

lnft1757

41.366.591063.305.1

TUQA =

=

=

67110

121

1757Ld

AN0

=

=

= tubos



10

Para esta cantidad de tubos requeridos, el intercambiador existente no sirve, porque no dispondra del rea suficiente. Ahora si consideramos h0 = 2000 en lugar de 1000,

3001

95.0100047.0

20001

64.831

U1

+++=

4.61U = BTU / hr-ft2-F

2

6

ln

ft170541.36x4.6110x63.3x05.1

TUQA ==

=

65110

121

1705Ld

AN0

=

=

= tubos (tampoco)

CONCLUSION: El intercambiador no sirve, debera comprarse otro.



11

Ejercicio 04 Evaporador Se deben concentrar 45000 lb/hr de una solucin de NaOH (hidrxido de sodio) desde 10% hasta 40% en peso, en un evaporador de tubos cortos horizontales que trabaja a una presin absoluta de 0.50 psia. La alimentacin entra a 60F. El vapor de calefaccin es saturado de 120 psia que solo entrega calor latente. Se desea conocer los valores de: la economa del evaporador, cada corriente (en lb/hr) y la superficie de calefaccin requerida (en ft2).



12 Desarrollo

Balance materia, F= L + V F xF = LxL +VyV

40.0

1.045000x

FxLL

F ==

hr/lb11250L = 1125045000LFV == hr/lb33750V = T para 0.5 psia = 79.6 F TL para 40% NaOH = 125F HvSat a 79.6F y 0.5 psia = 1096.1 BTU/lb HvRec = HvSat +cpv( TL-T ) HvRec = 10961 + 0.45 ( 125 79.6 ) = 1116.5 BTU/lb hL = 115 BTU/lb a 40% NaOH y 125 F hF = 25 BTU/lb a 10% NaOH y 60 F S = 878.9 BTU/lb a 120 psia y TS = 341.3 F

S

FLV FhLhVHS

+=



13

430669.878

2545000115112505.111633750S =+= lb / hr

784.043066/33750S/VE ===

6

S 1085.379.87843066SQ === BTU/hr

( ) 3.5831253.3413001085.37

TUQA

6

=

=

= ft2

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