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• Oscar Agapito Casas

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Problemas propuestos Transferencia de calor

1.

Se requiere enfriar 5000 Kg / Hr de melaza de 40º Bx (40% en peso) desde 75 ºC hasta 25 ºC para el enfriamiento se utiliza agua tratada e ingresa a 20 ºC y puede calentarse hasta 25 ºC. Se quiere utilizar un intercambiador de calor de placas de SS 316 de alfa laval Modelo P3. ¿Calcule el número de placas y diseñe cómo será la configuración de las mismas sí se sabe que los fluidos circulan en contracorriente?

2.

En una planta de embutidos se quiere esterilizar a través de un autoclave de forma cilíndrico horizontal, un caldo de extracto de carne que ingresa a 50°F y debe alcanzar 212°F. Para calentamiento se hace uso de un serpentín interior de Cu de ½" por el que circula vapor de agua de 115 psig. La operación es batch y el caldo de extracto ocupa el 80% del volumen del tanque. La densidad del extracto es de 68 lb/pie3. El tanque tiene un diámetro de 39" y una altura de 70". Diseñe el intercambiador de calor de serpentín y determine el diámetro y el número de vueltas del serpentín necesario para realizar la esterilización. 3. Se quiere enfriar 5000 Kg / h de una solución azucarada de 20 °Bx desde 65 °C hasta 25 °C, y para enfriamiento se utiliza agua tratada que ingresa a 25 °C y puede calentarse hasta 40 °C. Se quiere utilizar un intercambiador de calor de placas de acero inoxidable alfa laval tipo P20, con una separación entre placas de 0.00656 pie, el espesor de la placa es de 0.00328 pie entre placas. Los fluidos circularán en contracorriente.

3. Se quiere condensar metanol que sale de un reactor a 174.2 °F, condensándose a la misma temperatura. Como medio de enfriamiento se utiliza agua 77 °F que puede calentarse hasta 105 °F. Para ello se dispone de un intercambiador de calor de casco y tubos de 1 - 2. El curso de los fluidos está determinado de tal forma que por el casco circula el metanol y por los tubos el agua de enfriamiento. El intercambiador consta de 124 tubos horizontales de 3/4” OD, 15 bwg, con arreglo triangular, de 10 pies de longitud, Pt = 1” y de placa fija con deflectores. El Casco tiene un diámetro de 151/4”. Si solo se permite una caída de presión en el casco de 3 psi, y en los tubos de 10 psi. ¿Será adecuado el equipo? 4.

26000 lb/hr de vapores de etanol al 96% en peso salen del tope de una columna de destilación a una temperatura de 173.2°F, y deben condensarse y enfriarse a la vez hasta una temperatura de 117°F;

para ello utiliza como medio de

enfriamiento agua que ingresa a 85° F y sale a 104°F. Se dispone de tubos de 1”OD de 14 BWG y 16 pies de longitud, todos fabricados en acero inoxidable 304.

MSc. Pedro Angeles Ch.

Problemas propuestos Transferencia de calor El tope opera al vacio con una presión de 14 psia. Diseñe el equipo que cumpla con las especificaciones.

5. En una planta de espárragos se enfrían 45000 lb/h de una solución de NaCl al 20 %, desde 130 a 90 °F usando agua con una temperatura de entrada de 24°C. ¿Que temperatura de salida del agua deberá usarse si se sabe que ésta deberá enfriarse en una torre de enfriamiento y posteriormente recircularse?. Para ésta operación se dispone de un intercambiador 1–2 de 211/4 pulg DI que tiene tubos de 3/4 pulg DE, 16 BWG, 14 pies de largo. Los deflectores están espaciados a 6 pulg. ¿Será adecuado el equipo? ¿Cuales son las caídas de presión y el factor de obstrucción?. 6. La función de un intercambiador de calor es condensar 25450 lb/hr de vapor

propano de 275 lb/pulg2g que sale del tope de una torre de destilación. La operación consiste en condensar el vapor de propano en un rango de condensación de 135 ºF a 125 °F a la presión de 275 lb/pulg2g utilizando como medio de enfriamiento agua de 90 ºF calentándose hasta 110 ºF. El condensador es de casco y tubos tipo 1–2 horizontal. El curso de los fluidos está determinado de tal forma que por el casco circula el vapor propano y por los tubos el agua de enfriamiento. El intercambiador consta de 1100 tubos de 3/4” de diámetro nominal, calibre 16 BWG, con un arreglo triangular cuya longitud de tubo es de 16 pies con un Pt de

15/

16”

y de placa fija. El

casco tiene un diámetro de 37” y los deflectores están espaciados a 36 pulgadas. ¿Será adecuado el intercambiador de calor? 7. Un intercambiador de calor de tubos concéntricos para enfriar aceite lubricante se compone de un tubo interior de pared delgada de 25 mm de diámetro, que conduce un caudal de agua de 0,1 kg/s, y de un tubo exterior de 45 mm de diámetro, que conduce 0,1 kg/s de aceite. El intercambiador trabaja en contracorriente con un coeficiente global de transferencia de calor de 60 W/m2·°K y con las propiedades promedio que se muestran. Propiedades

Agua

Aceite

ρ (kg/m3)

1000

800

cp (J/kg·K)

4,200

1,900

μ (m2/s)

7x10-7

1x10-5

k (W/m·K)

0,64

0,134

Si la temperatura de entrada del aceite es 100 ºC y la de salida es 60º C, así como la de entrada del agua 30ºC,

MSc. Pedro Angeles Ch.

Problemas propuestos Transferencia de calor a). determine la transferencia total de calor y la temperatura de salida del agua. b) Determine la longitud de intercambiador de calor que se requiere. Solución: a) q = 7.600 W, Tc,sal = 48,1º C;

b) L = 40,37 m.

8. El calentador del agua de alimentación para una caldera suministra 10.000 kg/h de agua a 65ºC. El agua de alimentación al calentador tiene una temperatura de entrada de 20º C y se calentará en un intercambiador de calor 1-2, al condensar vapor a 1,3 bar. El coeficiente global de transferencia de calor es 2.000 W/m2·K. a. Determine el área de transferencia de calor que se requiere. b. ¿Cuál es el flujo del vapor de condensación? Datos: Temperatura de saturación a 1,3 bar »380 K. Entalpía de vaporización » 2,239 MJ/kg. Solución: a. A = 4,23 m2; mv = 839,9 kg/h. 9. 26000 lb/hr de vapores de etanol al 96% en peso salen del tope de una columna de destilación a una temperatura de 173.2°F, y deben condensarse y enfriarse a la vez hasta una temperatura de 117°F; para ello utiliza como medio de enfriamiento agua que ingresa a 85° F y sale a 104°F. Se dispone de tubos de 1”OD de 14 BWG y 16 pies de longitud, todos fabricados en acero inoxidable 304. El tope opera al vacio con una presión de 14 psia. Diseñe el equipo que cumpla con las especificaciones. 10. Se quiere diseñar un evaporador para concentrar 15000 lb/h de una solución de azucar a 180º F; de 12 a 40º Brix en un evaporador de doble efecto. Se dispone de vapor condensado a 25 lb/pulg2g, el segundo efecto mantiene una vacío de 23 pulg de Hg. a. Seleccione el tipo de evaporador mas adecuado para la operación. b. Diseñe el evaporador seleccionado. 11. En una planta de embutidos se quiere esterilizar a través de un autoclave de forma cilíndrico horizontal, un caldo de extracto de carne que ingresa a 50°F y debe alcanzar 212°F. Para calentamiento se hace uso de un serpentín interior de Cu de ½" por el que circula vapor de agua de 115 psi.. La operación es batch y el caldo de extracto ocupa el 80% del volúmen del tanque. La densidad del extracto es de 68 lb/pie3. El tanque tiene un diámetro de 39" y una altura de 70" . Diseñe el intercambiador de calor de serpentín y determine el diámetro y el número de vueltas del serpentín necesario para realizar la esterilización. 12. Se desea concentrar solución de sosa cáustica de 12.5 a 40 % en peso, en un evaporador de doble efecto. Al evaporador entran 50000 lb / h de solución a 120 °F y

MSc. Pedro Angeles Ch.

Problemas propuestos Transferencia de calor se dispone de vapor a 15 lb / pulg2g para la concentración. En el segundo cuerpo se mantiene un vació de 24 pulg de Hg, el agua de la torre de enfriamiento esta disponible a 85 °F. a) Estime la cantidad de vapor vivo y agua requeridos para operación en flujos paralelos. b) Estime la cantidad de agua y vapor vivo requeridos con flujos a contracorriente. c) La superficie de calentamiento requerida para la operación (a), suponiendo un coeficiente total de transferencia de calor de 400 y 250 BTU / h.pie2.°F para el primero y segundo efecto. d) La superficie para (b) con valores de UD=450 y 350 en los dos efectos respectivamente. e) Si se requirieran iguales superficies de calentamiento para (c) economía en el vapor vivo podría esperarse.

MSc. Pedro Angeles Ch.

y (d), que