Problemas Transferencia de Calor

UNIVERSIDAD JUAREZ AUTONOMA DE TABASCO UNIDAD CHONTALPA División Académica De Ingeniería y Arquitectura RESOLUCION DE PROBLEMAS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR ASIGNATURA: TRANSFERENCIA DE CALOR

PROFESOR:

DR. EDGAR VICENTE MACIAS MELO

ALUMNO:

RAFAEL ANGEL LOPEZ MAY

7° SEMESTRE

GRUPO: 6L

CARRERA: ING. MECANICO ELECTRICO CUNDUACAN, TABASCO

CUNDUACÁN, TABASCO.

9 DE NOVIEMBRE DEL 2018

9 DE NOVIEMBRE DEL 2018

11.1 En una caldera de tubos de humo, los productos calientes de la combustión fluyen por un arreglo de tubos de pared delgada que se usan para hervir agua que fluye fuera de los tubos. Al momento de instalación, el coeficiente global de transferencia de calor fue de 400 W /m2 ∙ K . Después de un año de uso, las superficies internas y } =0.001 externas están sucias, con factores de impureza correspondiente de y R ¿f , i } =0.0005 {m} ^ {2} {∙K} / {W , respectivamente. ¿Se debe programar la caldera R¿f ,o para la limpieza de las superficies de los tubos?

SOLUCION: 1 1 1 = + +R ''f,i +R ''f,o U hi ho 1 1 = +(0.0015+0.0005) m 2 K W=0.0045 m 2 K W U 400 W m 2 K

U=222.222 W m 2 K 11.2 Un tubo de acero inoxidable tipo 302 de diámetros interior y exterior Di=2 mm y D o=27 mm , respectivamente. Se usa en un intercambiador de calor de flujo ¿ cruzado. Se estima que los factores de impureza Rf , para las superficies interior y exterior son 0.0004 y 0.0002 m2 ∙ K /W , respectivamente.

(a) Determine el coeficiente global de transferencia de calor con base en el área externa del tubo, U O .compare las resistencias térmicas debidas a convección conducción de la pared del tubo e impureza. (b) En lugar de que fluya aire sobre el tubo, considere una situación en la que el fluido de flujo cruzado es agua a 15 ℃ con una velocidad V o=1 m/s . Determine el coeficiente global de transferencia de calor con base en el área del tubo, U o . Compare las resistencias térmicas debidas a la convección conducción de la pared del tubo e impureza. (c) *Para las condiciones del agua-aire de la parte (a) y velocidades medias, U m , i de 0.2, 0.5, y 1.0 m/s . Grafique el coeficiente global de transferencia de calor como función de la velocidad de flujo cruzado para 5 ≤V o ≤ 30 m/ s . (d) *Paras las condiciones del agua-aire de la parte (a) y velocidades de flujo cruzado, V o de 1,3 y 8 m/s , grafique el coeficiente global de transferencia de calor como función de la velocidad media para 0.5 ≤U m ,i ≤2.5 m/s .

Propiedades: De la tabla A-1: AISI 302 (302 K); KW=15 W/m.K De la tabla A-6: Agua ( T´ m,i=348 K); ρ 1=974.8 kg/m3; µi=3.746×10-4 N s/m2; Ki=0.668 W/m K; Pri=2.354 De la tabla A-4: aire ( T´ f,o=315 K, 1 atm); Ko=0.02737 W/m K; Vo=17.35×10-6 m2/s; Pro=0.705 SOLUCION: (a) 1 =R tot =R cv,i +R f,i +R W +R f,o +R cv,o UoAo 1 1 R cv,i = R cv,o = h i Ai h oAo R f,i = Rw =

R ''f,i Ai ln( Do Di ) (2πLk w )

Calculando h´ i:

R f,o =

R ''f,o Ao

u m,i Di

Re D,i =

vi

(0.5m s)(0.022m) =28,625 (3.746×10-4 N s m 2 ) (974.8kg m3 )

=

0.3 Nu D,i =0.023Re0.8 D,i Pri

Nu D,i =0.023(28,625)0.8 (2.354)0.3 =109.3

hi =

Nu D,i k i Di

=

(109.3)(0.668 W m 2 K) =3313 W m 2 K 0.022m

Calculando h´ Re D,o =

T

m,i

Vo Do (20 m s )(0.027m) = 31,124 vo 17.35×10-6 m 2 s .

-To 

R tot

:

o

=

T

s,o

-To 

R cv,o

Usando la correlación de Churchill-Bemstein: 58 0.62Re1D,o2 Pro1 3   Re D,o   Nu D,o =0.3+ 1+    14    0.4  2 3    282,000    1+      Pro  

Nu D,o =0.3+

0.62  31,124 

12

 0.705 

  0.4  2 3   1+      0.705  

14

13

-4 5

  31,124  5 8   1+      282,000  

-4 5

Nu D,o 102.6

ho =

Rcv,i (K/W) 0.00436

(b)

Nu D,o k o Do

=

 102.6   0.02737 W

Rf,i (K/W) 0.00578

m K 

0.027m

Rw (K/W) 0.00216

Rf,o (K/W) 0.00236

=104 W m K

Rcv,o (K/W) 0.1134

Uo (K/m2.W) 92.1

Rtot (K/W) 0.128

Re D,o = 26,260

Rcv,i (K/W) 0.00436

Rf,i (K/W) 0.00579

h o 4914 W m 2 K

Nu D,o = 220.6

Rw (K/W) 0.00216

Rf,o (K/W) 0.00236

Rcv,o (K/W) 0.00240

Uo (K/m2.W) 691

Rtot (K/W) 0.0171

(c)

(d)

11.3 Un intercambiador de calor de carcasa y tubos es para calentar un líquido ácido que fluye en tubos sin acabado de diámetros interior y exterior Di = 10 mm y Do= 11 mm, respectivamente. Un gas caliente fluye en el lado de la cáscara. Para evitar la corrosión

del material del tubo, el ingeniero puede especificar una aleación de metal resistente a la corrosión Ni-Cr-Mo (pm = 8900 kg / m3, km=8 W / m K) o un fluoruro de polivinilideno (PVDF) plástico (pp = 1780 kg / m3, kp=0,17 W / m K). Los coeficientes de transferencia de calor internos y externos son hi = 1500 W / m 2 K y ho = 200 W / m2 K, respectivamente. (a) Determine la relación de plástico a las superficies de la superficie del tubo metálico necesaria para transferir la misma cantidad de calor. (b) Determine la relación de plástico a masa de metal asociada con los dos diseños de intercambiadores de calor. (c) El costo de la aleación de metal por unidad de masa es tres veces mayor que el del plástico. Determine qué material del tubo se debe especificar en función del costo.

SOLUCION: (a) ln( Do Di ) 1  1 1 1 1 ' ' ' = + +  =  R conv,i +R w +R conv,o  UA  hπD 2πk w h oπD o L L i i Donde: R 'conv,i 

1 1  2 hπD   1500 W m Kπ 0.01m i i

R 'conv,o 

1 hπD o

 o

1   200 W m Kπ 0.011m 2



0.0212m K W



0.1447m K W

 ln(11 10 ) 0.0019m K W  Aleacion de metal  ln( Do Di )  2π  8 W m K  ' Rw   ln(11 10 ) 2πk w  0.0892m K W  Plastico  2π  0.17 W m K 

Ap Am Ap Am Ap Am

=

Lp Lm



=

' ' R conv,i + R 'w,p + R conv,o

R 'conv,i + R 'w,m + R 'conv,o

0.0212m K W  0.0892m K W  0.1447m K W 0.0212m K W  0.0019m K W  0.1447m K W

1.52

(b) mρp A = mρm A

p m

1780 kg m 3 = 1.52  =0.304 3  8900 kg m m p

(c) Cp Cm

=

mp 3m m

=

1  0.304  =0.10 3

11.4 Un tubo de acero (k =50W /m∙ K ) de diámetros interno y externo D i=20 mm y D o=26 mm respectivamente, se usa para transferir calor de gases calientes que 2 fluyen sobre el tubo (hh =200W /m ∙ K ) a agua fría que fluye por el tubo 2 (hc =8000W /m ∙ K ) . ¿Cuál es el coeficiente global de transferencia de calor del lado frio U C ? Para aumentar la transferencia de calor, se instalan 16 aletas rectas de perfil rectangular longitudinalmente a lo largo de la superficie externa del tubo. Las aletas están espaciadas de igual forma alrededor de la circunferencia del tubo, y cada una tiene un espesor de 12 mm y una longitud de 15 mm. ¿Cuál es el coeficiente global de transferencia de calor correspondiente U C ?

SOLUCION: Sin aletas o,c o,h 1

D ln  D o Di  Ac 1 1 = + i + U C  o h  c 2k  o hA  h

 0.02m  ln  26 20  + 1 1 1 20 = + 2 2 2 U C 8000 W m K 100 W m K 200 W m K 26 1 =  1.25×10-4 +5.25×10-5 +3.85×10 -3)  m 2 K W =4.02×10-3m 2 K W UC U C 249 W m 2 K

Con aletas o,c 1 o,h 1   A f A   1  f  A f = N  2Lf +t  =16  30+2  mm = 512 mm A h =A f +πD = 512+81.7-32 mm  -16t   = 561.7 mm o

m =  2h kt 

12

 400 W m 2 K  50 W m K  0.002 m 

12

63.3m  1

mL f =  63.3m -1   0.015m  = 0.95

f tanh  mLf  / mLf 0.739 0.95 0.778 o,h 1   A f A h   1  f  1   512 561.7   1  0.778  0.798  π  20   2 -4 2 =  1.25×10-4 +5.25×10-5 +  m K W = 8.78×10 m K W 0.798(200)561.7   2 U C =1138 W m K 1 UC

11.5 Un dispositivo de recuperación de calor implica la transferencia de energía de los gases de escape calientes por una región anular para presurizar agua que fluye por el tubo interno del anillo. El tubo interno tiene diámetro interno y externo de 24 y 30 mm y está conectado por ocho puntales a un tubo exterior aislado de 60 mm de diámetro. Cada puntal tiene 3 mm de espesor y está construido de manera integral con el tubo interno de acero al carbón (k =50W /m∙ K ) .

Considere condiciones en las que el agua a 300 K fluye por el tubo interno a 0.161 kg/ s mientras que gases de escape a 800 K fluyen por el anillo, con lo que mantienen el coeficiente de convección de 10 0 W /m2 ∙ K en los ……. y en la superficie externa del tubo interior. ¿Cuál es la transferencia de calor por unidad de longitud del tubo del gas al agua? Propiedades: De la tabla A-6: Agua (300 K); k=0.613 W/m K; Pr=5.83; µ =855×10-6 N s/m2 SOLUCION: q=  UA  c  Tm,h -Tm,c 

Donde: 1 1 = +R +  UA  c  hAη c hA w  Rw =

ln  Di,2 Di,1  2πkL

Re D =

=

1 o

h

ln  30 24  =7.10×10-4 K W 2π  50 W m K  1m

4  0.161kg s   4m = = 9990 πDi,1μ π  0.24m   855×10-6 N s m 2 

 k  45 0.4  0.613 W m K  2 hc =  =0.023Re D4 5 Pr 0.4 =   0.023  9990   5.83  =1883 W m K  D  0.024m    i,1  -1

= 7.0423×10 -3K W  hA  C =  1883 W m 2×Kπ 0.024m  ηo =1-  A f A   1-ηf  A f =8×2  Lw  = 8×2  0.015m   1m  = 0.24 m 2 2 A=A f +πD +π 0.03m-8 0.003m m   =0.31    i,2-8t =0.24m  tanh(mL) mL 12  2  100 W m 2 K    2h   =36.5m -1 m=   =   kt    50 W mK   0.003m   ηf =

12

 2h  mL=   L=36.5m -1  0.015m  =0.55  kt    2h  1 2  tanh    L  0.499   kt  

2

0.499 0.911 0.55 ηo =1-  A f A   1-ηf  1   0.24 0.31  1  0.911 0.931 ηf 

-1

 ηo hA  h =  0.931  100 W

-1

m 2 K   0.31m 2  =0.0347 K W

-1

 UA  C =  7.043×10-3 +7.1×10-4 +0.0347  K

W =23.6 K W

q=23.6 K W  800-300  K=11,800W

11.6 Un novedoso diseño para un condensador consiste en un tubo de Conductividad térmica 200 W / m K con longitudinal Aletas encajadas perfectamente en un tubo más grande. Refrigerante de condensación a 45 ° C fluye axialmente a través del tubo interior, mientras que el agua a un caudal de 0.012 kg / s pasa a través Los seis canales alrededor del tubo interior. Lo pertinente Los diámetros son D 1= 10 mm, D2= 14 mm, y D3= 50 mm, mientras que el espesor de la aleta es t= 2 mm. Asumir que El coeficiente de convección asociado a la condensación. El refrigerante es extremadamente grande. Determine la tasa de eliminación de calor por unidad de longitud de tubo en una sección del tubo para la cual el agua está a 15 ° C.

Propiedades: De la tabla A-6:Agua( T´ N s/m2, Pr=8.06 SOLUCION:

=288K); p=1000kg/m3, k=0.595 W/m K, v=1138×10-6

c

q UA Th  Tc 

q UA Th  Tc  1 1 Rh  RW  RC RW  UA1  OhA 1C

Rh  RW  RC RW 

UA

ln RW 



D2



 OhA C

ln 14 10 D1  2.687 ´10  4 D W 2 2 p k 2 p 200   m  k ln ln 14











mK



W

D1 10 RW   2.687 ´10  4 mK W 2p k 2p  200 W mk 4  p  D32  D22  4  6  D3  D2  t 2  6 4 Ac

Dh,C 

Dh,C Dh,C 



P

 p D2  6t 62  (p2D3  6t) 6  2  D3  D 2 2 4  p D3  D2 4  6  D3  D2  t 2  6 4 Ac   P  p D2  6t 6  (p D3  6t) 6  2  D3  D2  2 4  p  50 2  14 2  4  6  50  14   ´10  6 m2 6



  14p  6 ´2  6   50p  6 ´2  6   50  14   ´10  3 m 2 2 6 2





4  6  50  14   ´10 m 6 6 ´2 4 m 62  50p  6 ´2  6   50  14   ´10  3 m   14p  ´10 4 ´2.656 4  p 50  14

Dh,C  Dh,C 



0.01622m

6.551 ´10  2 m

4 ´2.656 ´10  4 m2 0.01622m kg 2   0.012  1000 kgm ´2.656 ´10  4 m2   ´0.01622m s 6 m  6.551 ´10

Dh,C  Re D,C 

3

1.138 ´10  6 m

2

  0.012 kg s 6  

Re D,C h D C h,c

NuD,C 

 1000

3.66

k

107

s



´2.656 ´10  4 m2  ´0.01622m 107 2 1.138 ´10  6 m s kg

m3

hD

C h,c W Nu3.66´0.595 3.66 mK hC  D,C 134 W m2 K k 0.01622 11.7

E l

W 3.66 Af ,C´0.595 mK 134 W 2 C  m K Oh1  1     f A 0.01622 C

A tanh  mfL,C 1   O 1  f  f  mLAC





tanh  m2L  W m   2h  C kt   2 ´134 m2 K  1

f

mL





tanh 25.88m 1 ´0.018m

 200 W mK ´0.002m  0.4348

 f m   2h kt 1 2 1  2 ´134 W 2  200 W0.934 ´0.002m  C m K 0.4958 mK 25.88m ´0.018m 

1

2

1

2

25.88m 1

25.88m 1

6  D3 1 ´0.018m D2   10.4348 O1 tanh 25.88m   f  0.934 6  D3  D2 1   p D2  6t  f 25.88m ´0.018m 0.4958





66 50 D2   D3 14  1  0.943 0.943 6  50  14    14p  6 ´2   1   f 

O11   O

6  D3  D2    p D2  6t

1

OhAC  3.33 ´10  3 mK W 6  50  3 W  146 0.943 ´134 50  14  14 p  6 ´2 ´10 m   2     O 1   1  0.943 0.943 m K  6  50  14    14p  6 ´2  Th  TC R 1 W  hA   OhA C

q

O

q

C

1 3.33 ´10  3 mK W 0.943 ´134 m2 K  6  50  14    14p  6 ´2   ´10  3 m

 45 

W

15  K

Th  T4 CmK W  3.22 ´10  2 mK W ´10 q 2.678  RW 1  OhA

924 W m

condensador de una planta de energía de vapor contiene N = 1000 tubos de latón (k t = 110 W / m K), cada uno de diámetros interno y externo, D i = 25 mm y Do = 28 mm, respectivamente. La condensación de vapor en las superficies externas de los tubos se caracteriza por un coeficiente de convección de ho = 10,000 W / m2 K. (a) Si el agua de enfriamiento de un lago grande se bombea a través de los tubos del condensador a m˙c = 400 kg / s, ¿cuál es el coeficiente de transferencia de calor global Uo basado en el área de la superficie exterior de un tubo? Las propiedades del agua se pueden aproximar como µ = 9.60 × 10—4 N s / m 2, k = 0.60 W / m K, y Pr = 6.6. (b) Si, después de una operación prolongada, el ensuciamiento proporciona una resistencia de R ”f, i = 10—4 m2 K / W en la superficie interna, ¿cuál es el valor de Uo? (d)Si se extrae agua del lago a 15 ° C y se condensan 10 kg / s de vapor a 0.0622 bares, ¿cuál es la temperatura correspondiente del agua que sale del condensador? El calor específico del agua es 4180 J / kg K.

Propiedades: Agua: CP=4180 J/kg K, µ =9.6×10-4 N s/m2, k=0.60 W/m K, Pr=6.6 De la tabla A-6: vapor de agua saturada (p=0.0622 bars.), T sat=310 K, hfg =2.414×106 J/kg. SOLUCION: (a) DOln ( DO / Di ) 1 DO ö 1 1æ ÷ ÷ = ç + + ç ÷ ç ÷ UO h i ç 2k t ho èDi ø

(b)

(c)

11.8 Tubo de acero con paredes delgadas de diámetro D=10 mm se usan en el condensador de un acondicionador de aire. Bajo condiciones normales de operación, se 2 asocia un coeficiente de convección hi=5000 W /m ∙ K con la condensación en la superficie interna de los tubos, mientras que se mantiene un coeficiente ho =100W / m2 ∙ K sobre los tubos mediante un flujo de aire. (a) ¿Cuál es el coeficiente global de transferencia de calor si los tubos no tienen aletas? (b) *¿Cuál es el coeficiente global de transferencia de calor en la superficie interna, U i si se agregan aletas anulares de aluminio de espesor t=¿ 15 mm, diámetro exterior Do=20 mm y espaciado S=3.5 mm a la superficie externa? Base sus cálculos en una sección de 1 m de longitud del tubo. Sujeto a los requerimientos t ≥ 1mm y (S−t )≥ 1.5 mm , explore el efecto de variaciones en t y S sobre U i . ¿Qué combinación de t y S daría la mejor transferencia de calor?

Propiedades: De la tabla A-1: T=300 K, k=237W/m SOLUCION: (a) T=(300K):k=237W/m -1

-1  h -1 +h 0 -1  -4 2 2 U=  i  =  2×10 +0.01 W/m ×K=98W/m ×K 1 T=(300K):k=237W/m   1 h -1 +h 1-1  -1 1 -1 = -4 2 2 i= 0 (b). U=  i U πD  i =n 2×10 UπD h 0A 0 +0.01 W/m ×K=98W/m ×K i i 0 1   1 1 1 = = UπD U πD n 0h 0A 0 i i i i

1  U i    p Di / n0 h0 A´0    hi 

1

U i  2 ´10 4 m 2 K / W  p ´0.01m / 0.99 ´100W / m 2 K ´0.181m 2 / m  512W / m 2K

11.9

Un intercambiador de calor de tubo cruzado y de aletas es utilizar el Escape de una turbina de gas para calentar agua a presión. Las mediciones de laboratorio se realizan en un prototipo. Versión del intercambiador, que tiene una superficie. Área de 10 m2, para determinar la transferencia de calor global Coeficiente en función de las condiciones de operación. Las mediciones realizadas en condiciones particulares, para cual h 2 kg / s, Th, 325 ° C, c= 0,5 kg / s, y Tc, y 25 ° C, revelan una temperatura de salida de agua de Tc, o 150 ° C. ¿Cuál es el coeficiente global de transferencia de calor del intercambiador?

11.10 El agua a una velocidad de 45.500 kg / h se calienta de 80 a 150 ° C en un intercambiador de calor que tiene dos pases de cáscara y ocho pasos de tubo con una superficie total de 925 m2. Gases de escape calientes que tienen aproximadamente en Las mismas propiedades termo físicas que el aire entran a 350 ° C. y salir a 175 ° C. Determinar la transferencia de calor global coeficiente.

11.11 Un novedoso concepto de intercambiador de calor consiste en una gran número de láminas de polipropileno extruido (k? 0,17W / m? K), cada una con una geometría similar a una aleta, que son Posteriormente se apilan y se funden juntos para formar el Núcleo intercambiador de calor. Además de ser barato, el El intercambiador de calor se puede reciclar fácilmente al final de su vida. Dióxido de carbono a una temperatura media de 10 do y la presión de 2 atm fluye en los canales fríos a una m˙ m˙ J / kg? K 15? C velocidad media de um? 0,1 m / s. Aire a las 30C y 2 atm Fluye a 0,2 m /s en los canales cálidos. Descuidando el Resistencia térmica de contacto en la interfaz soldada. Determinar el producto de la transferencia de calor total. Coeficiente y área de transferencia de calor, UA, para un calor núcleo intercambiador que consta de 200 canales fríos y200 canales calientes.

T

propiedades: aire:

m,h



 



303K , p 2atm :  kh 0.0265 W mK  : C p,h 1007 J kgK : mh 18610  7 Ns m2 :

 Prh 0.707  :  r h 2.303 m  :  CO2  Tm,c 283K   :  K c 0.0154 W mK  :  C p,c 833 J kgK   mc 141 ´10  7 Ns m  :  Prc 0.765  :  r c 3.76 kg m  :  kp 0.17 W mk kg

3

2

Dh



3

4 Ac 4 ´11 ´2  5.87mm P 2   11  4   mm

Re D,h



r hum,nDh 2.303 kgm3 ´0.2 ms ´0.00587m  145 mh 186 ´10  7 Ns m2

NuD,hkh 3.82 ´0.0265 W mK  17.2 Dh 0.00587m hc 10 2 K hh 

W

2

m

K

W

m

 d  c

L

mh 

2 5.5mm

2 ´17.2 W m2 K hhP 2hh   225m 1 kpAc kP b 0.17 W mK ´0.004m 1

mhL 225m

 f ,h 

´0.0055m1.24

tanh  mhL  tanh  1.24   0.682 mhL 1.24

Af 2L  0.733 A  2L  a

o,h 1 

Af 1   f ,h 1  0.733 1  0.682  0.767 A





o,c 0.839 1 1 c 1    UA  ohA c kpAw  ohA c 1 1 0.004m 1     UA 0.839 ´10.0 W m2 K ´3m2 0.17 W mK ´1.6m2 0.767 ´17.2 W m2 K ´3m2 UA 12.6

W

2

m

K

11.12 Las propiedades y caudales de los fluidos calientes y fríos. De un intercambiador de calor se muestran en la siguiente mesa. ¿Qué líquido limita la velocidad de transferencia de calor del intercambiador? Explica tu elección.

densidad :

Ff

997 kg m3 ; Fc 1247 kg m3

calor especifico:

F f 4179 J

conductividad termica:

F f 0.613

viscocidad: tasa de flujo :

kgK

W

mK

F f 8.55 ´10 F f 14

m3

h

; Fc 2564 J ; Fc 0.287

 4 Ns

m2

; Fc 16

kgK W

mK

; Fc 1.68 ´10  4

m3

Ns

m2

h

11.13 Un líquido de proceso que tiene un calor específico de 3500 J / kg · K y que fluye a 2 kg / s debe enfriarse de 80 ° C a 50 ° C con agua refrigerada, que se suministra a una temperatura de 15 ° C y Caudal de 2,5 kg / s. Suponiendo un coeficiente de transferencia de calor global de 2000 W / m2 · K, calcule las áreas de transferencia de calor requeridas para las siguientes configuraciones de intercambiador: (a) flujo paralelo, (b) contraflujo, (c) carcasa y tubo, un paso de carcasa y 2 pases de tubo, y (d) flujo cruzado, paso único, ambos fluidos sin mezclar. Compara los resultados de tu análisis. Su trabajo puede reducirse utilizando los modelos de Herramientas / Intercambiador de calor de IHT.

SOLUCION:

Análisis: Los modelos de intercambiador de calor de IHT Tools se basan en el método de efectividad de NTU y son adecuados para problemas de tipo de diseño. La siguiente tabla resume los resultados de nuestro análisis utilizando los modelos IHT, que incluyen ecuaciones del modelo, cifras y el área de transferencia de calor requerida. La temperatura de salida del fluido frío para todas las configuraciones es Tc, o = 35.1C. El código IHT para el intercambiador de calor de flujo paralelo de tubo concéntrico se proporciona en los comentarios.

11.14 Un intercambiador de carcasa y tubos (dos carcasas, cuatro tubos Pases) se utiliza para calentar 10.000 kg / h de presión. Agua de 35 a 120 ° C con 5000 kg / h presurizados. Agua que entra en el intercambiador a 300 ° C. Si el general ¿El coeficiente de transferencia de calor es 1500 W / m2? K, determinar El área requerida del intercambiador de calor.

11.15 Considere el intercambiador de calor del problema 11.14. Después Varios años de funcionamiento, se observa que la salida La temperatura del agua fría alcanza solo los 95 ° C en lugar de que los 120 ° C deseados para los mismos caudales y entrada Temperaturas de los fluidos. Determinar el acumulado Factor de ensuciamiento (superficie interna y externa) que es la causa del peor desempeño. SOLUCION:

11.16 Un intercambiador de calor de tubo concéntrico de contraflujo es Diseñado para calentar agua de 20 a 80 ° C con aceite caliente, que se suministra al anillo a 160 ° C y se descarga. a 140 ° C. El tubo interior de pared delgada tiene una diámetro de Di? 20 mm, y la transferencia de calor global ¿El coeficiente es de 500 W / m2? K. Las condiciones de diseño llamadas. Para una tasa de transferencia de calor total de 3000 W. (a) ¿Cuál es la longitud del intercambiador de calor? (b) Después de 3 años de operación, el rendimiento se degrada. por ensuciar en el lado del agua de la intercambiador, y la temperatura de salida del agua es solamente 65 ° C para los mismos caudales de fluido y temperaturas de entrada. ¿Cuáles son los valores correspondientes de la tasa de transferencia de calor, la temperatura de salida del aceite, el coeficiente de transferencia de calor global, y la orilla factor de ensuciamiento, R? ƒ, c?

SOLUCION:

11.17 Considere el intercambiador de calor de tubos concéntricos de contraflujo del ejemplo 11.1. El diseñador desea considerar el efecto del caudal de agua de refrigeración en la longitud del tubo. Todas las demás condiciones, incluida la temperatura del aceite de salida de 60 ° C, siguen siendo las mismas. a) Del análisis del Ejemplo 11.1. vimos que el coeficiente general U está dominado por el coeficiente de convección del lado caliente. Suponiendo que las propiedades del agua son independientes de la temperatura, calcule U en función del caudal de agua. Justifique un valor constante de U en los cálculos de la parte (b). b) Calcule y trace la longitud L del tubo del intercambiador requerida y la temperatura de salida del agua Tc, o como una función del caudal de agua de refrigeración para 0.15 Š m˙ c Š 0.30 kg/s. SOLUCION: (a) (E−1) 1 ln Cr= Cmax / Cmin Cr−1 ( ℇCr −1) 2) NTU= U x A/Cmin 3) A= πDi x L kg J W Ch=m ´ hCh=0.1 x 2131 =213.1 4) s kg ∙ K K

1)

NTU =

5)

Cc= mcCc=( .15 a .30 )

´ kg J W x 4178 =626.7−1253 s kg ∙ K K

6) Cmin = Ch q ε= 7) qmax 8) 9)

i Th ,i−Tc ,¿ qmax=Cmin ( Th, i−Tc ,i )=Cc ¿ q=C h (Th,i −Th ,o)

(b)

1) 2)

1

U=

(

1 1 + h i ho

)

´i m hi=hi ,b ´ i,b m

0.8

( )

Tabulando los resultados

0.15

W ∙K) m2 1787

38.8

38.0

0.20

2250

38.8

38.1

0.25

3690

38.8

38.2

0.30

3112

38.8

38.3

m ´ c (kg/s)

hi (

ho (

W ∙ K) m2

U(

W ∙K) m2

11.18 Considere un intercambiador de calor de tubo concéntrico con un área de 50 m 2 que funcione bajo las siguientes condiciones: Fluido caliente Tasa de capacidad de 6 calor Temperatura interna 60 ºC Temperatura externa ºC

Fluido frio 3 30 54

a) Determine la temperatura de salida Del fluido caliente.

b) ¿Funciona el intercambiador de calor en contraflujo o en paralelo, o no se puede deducir de la información disponible? c) Calcule el coeficiente de transferencia de calor global. d) Calcule la efectividad de este intercambiador. e) ¿Cuál sería la efectividad de Este intercambiador si su longitud fuera muy grande? SOLUCION: (a) q=C c ( Tc ,o −Tc ,i )=C h (Th ,i−Th ,o ) W =6000(60−Th ,o) 2) 3000 K ( 54−30 ) K (b)

1)

Th ,o=48° C

<

Debe estar operando en consideración (CF) desde Th ,o