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SEMINARIO NO 11

INTERCAMBIADORES DE CALOR I

1. Realice los gráficos T vs. x, cualitativamente para intercambiadores de doble tubo con flujo en contracorriente y paralelo. Analice los posibles “cruces” de temperaturas para los fluidos. 2. Un fluido caliente se enfría de 110 a 100 oC, su calor específico es similar al del agua. Se usarán 0.3 Kg/s de agua de enfriamiento. El intercambiador utilizado es un equipo doble tubo, siendo su diámetro interior = 0.025 m. El coeficiente de transferencia de calor global referido al área interna se estima en 1600 J/m2sK. Compare las ventajas de flujo a contracorriente sobre flujo en paralelo mediante el valor de MLDT cuando el fluido frío modifica su temperatura de:

  

60 a 90ºC 50 a 90oC 10 a 60oC

Calcule en cada caso el área requerida y la longitud de equipo necesaria. conclusiones a partir de los valores calculados.

Saque

3. Se usa CO2 a 426 oC para calentar 45 400 Kg/h de etilenglicol de 38 a 150 oC, mientras la temperatura del gas desciende 220 oC. El coeficiente de transferencia de calor total es 56.78 W/m 2 oC. Calcular el área necesaria del intercambiador para:

  

flujo en paralelo, flujo en contracorriente, flujo de gas mezclado transversal

4. En un intercambiador de tubo y coraza con un tubo interior de 2” de diámetro externo se condensa vapor a 104 oC. Dentro del tubo fluye agua con un caudal de 13260 kg/h. El coeficiente total de transferencia de calor basado en la superficie exterior tubo es de 852 W/m 2 oC. Determinar la longitud del intercambiador para aumentar la temperatura del agua de 21 a 65 oC. 5. Agua fluyendo a razón de 45400 Kg/h se enfría de 95 a 60 oC por medio de un flujo igual de agua fría que entra a 35 oC. La velocidad del agua es tal que el coeficiente total de transferencia de calor es de 2270 Kcal/ h m2 oC. Determinar la superficie del intercambiador de calor para:  flujo en paralelo,  flujo en contracorriente 6. Rehacer el problema 5, sabiendo que el agua de enfriamiento es agua de mar que fluye a una velocidad de 4 ft/s. Realizar todas las suposiciones necesarias para resolver este problema. 7. Para un equipo de transferencia de calor con tubos concéntricos que tiene un tubo interior de 1” IPS Sh 40 se ha calculado el coeficiente de película interior (hi) en 10 BTU/ h ft 2 oF. Mediante cálculos apropiados se obtuvo el coeficiente de película exterior (he) para tres fluidos diferentes, obteniéndose 1, 10 y 100 BTU/ h ft 2 oF en cada caso. Despreciando la resistencia del tubo evalúe la sensibilidad del coeficiente total de transferencia de calor con los cambios en he. 8. Un aceite (Cp=2.09 KJ/Kg ºC) entra en un enfriador de aceite a 82 ºC con un caudal de 9060 Kg/h. El enfriador es un intercambiador en contracorriente con agua como refrigerante. El área de transferencia es de 28 m 2 y el coeficiente total de transferencia es de 567 W/m2 oC. El agua entra al intercambiador a 27 ºC. Determinar el caudal de agua necesario si el aceite sale del intercambiador a 38 ºC . 9. Se desean enfriar 3000 Kg/h de un solvente desde 40 a 30 oC. Como fluido frío se usará corriente de etilenglicol a 5 oC que, por condiciones de proceso, no puede salir a más de 25 o C. Se trabajará con un intercambiador de doble tubo, con una longitud máxima de 6 m. Para este proceso se prevé una resistencia de ensuciamiento combinada es R f = 5 10 -4 m2 K s/ J.

a) Seleccione el diámetro de los tubos a utilizar. Explique el criterio utilizado. b) Calcule el número de tubos necesarios y las pérdidas de carga en ambos lados del equipo. Propiedades del Solvente Densidad = 790 Kg/m3 Calor específico = 1922 J/Kg K Viscosidad = 0.95 10-3 Kg/m s Conductividad térmica = 0.187 J/s m K

Propiedades del etilénglicol Densidad = 1010 Kg/m3 Calor específico = 2340 J/Kg K Conductividad = 0.264 J/s m K Temperatura (ºC) Viscosidad (Kg/m s) 10 0.028 20 0.020 30 0.014 40 0.012

10. Se enfría agua que fluye a razón de 100000 lb/h desde 200ºF a 150ºF utilizando agua fría que entra a 100ºF y sale a 140ºF. La velocidad del agua es tal que el coeficiente global de transferencia de calor es de 400 BTU/h ft 2 ºF. La caída de presión permitida para el fluido caliente es de 5 psi. Se desea evaluar la factibilidad de uso de los siguientes arreglos: a) Intercambiador de doble tubo con flujo en paralelo con el fluido frío circulando en el ánulo. Se poseen horquillas de 20 pies de longitud y los tubos son de 4” y 3” IPS. b) Ídem a), para flujo en contracorriente. c) Intercambiador 1-2 con tubos de 3/4” 18 BWG, arreglo triangular, paso 15/16” y 12 pies de longitud. El fluido caliente pasará por los tubos. En cada caso indique si el arreglo es utilizable o no, justificando su respuesta. Cuando el arreglo sirva para el proceso, especifique además la cantidad de horquillas o tubos necesarios.

INTERCAMBIADORES DE CALOR II

SEMINARIO NO 12

1. Deben enfriarse 20000 kg/h alcohol etílico a 80 ºC en un intercambiador de calor que opera a presión atmosférica. Para este proceso, se utilizarán 30800 kg/h agua de mar (no tratada), disponibles a 20 ºC. La resistencia de ensuciamiento del agua de mar se estima en 5.16 10 -4 m2 ºC / W. El alcohol no contiene impurezas que se depositen en el equipo. Las caídas de presión permitidas para ambas corrientes son de 67 kPa. Se utilizará un equipo 2:6 de 18 ft de longitud, con 368 tubos BWG 14 de 1” arreglados en cuadro con Pt = 1 1/4”. El diámetro interno de la coraza es de 31” y posee 22 deflectores segmentados en un 25%. Adopte las propiedades de la tabla inferior para los fluidos. Puede considerarlas constantes en el intervalo de temperaturas de trabajo.

alcohol agua

Cp (KJ/Kg K) 2.93 4.187

 (kg/m s) 7 10-4 7.64 10-4

 (Kg/m3) 780 1000

k (W/m K) 0.15 0.62

Pr 13.67 5.15

a) Indique por que lado circulará cada corriente. Justifique brevemente su respuesta. b) Calcule las temperaturas de salida de ambas corrientes utilizando el método de las unidades de transferencia y eficiencia (NTU, e). c) Calcule la pérdida de carga de ambas corrientes ¿cumplen con la restricción? En caso contrario, indique que haría para que el proceso se vuelva factible. d) Explique: d1) ¿Por qué le parece que se usa un equipo con dos pasos por la coraza? Responda usando el criterio del factor de corrección del T medio logarítmico (Ft). d2) En la siguiente tabla indique que sucede con las variables al modificar el parámetro indicado (aumenta, disminuye o no varía). Justifique sus respuestas. T salida alcohol

T salida agua

DP coraza

DP tubos

U

 NB (nº baffles)  nº pasos en tubos  Rf

2. Se deben enfriar 14500 Kg/h de una mezcla gaseosa inerte (Cp = 950 J/kg ºC,  = 0.024 cp,  = 0,348 g /l, k = 0.0321 W/m ºC) a 0.34 atm barométricas desde 150 oC a 65 oC usando 32600 Kg/h de agua a 18 oC. La caída de presión permitida en el gas es 14 KPa y para el agua 69 KPa, la resistencia de ensuciamiento del lado del gas es de 0.0004 K m 2/W. Se propone el siguiente equipo para llevar a cabo la operación Intercambiador 1-4 con las siguientes características: Ds = 15.25 ” No Tubos = 116 D Tubos = 3/4” - 16 BWG L Tubos = 8.5 m Dist. Tubos = cuadro - 1” a) Explique porque se seleccionó un equipo sin deflectores para realizar este proceso. b) Determine si el equipo cumple con las especificaciones del proceso. En caso de no hacerlo, sugiera modificaciones en el arreglo que permitan su utilización.

3.

Un intercambiador de calor tiene 300 tubos de 3/4“ BWG 16, de 2 m de longitud dispuestos en dos pasos. Se lo utilizará para calentar 58 kg/s de un aceite cuyas propiedades son:  = 790 kg/m3; Cp = 2100 J/kg K; k= 0,133 W/m K. El aceite, que circulará por los tubos, ingresará al equipo a 330 K y se lo desea calentar hasta 350 K. El calentamiento se realiza utilizando vapor de agua saturado a 92700 Pa (temperatura de condensación = 450 K). a) Decida si el equipo es apropiado para este servicio y si lo fuera calcule la resistencia de ensuciamiento que permite. b) Calcule exactamente la temperatura de salida del aceite cuando el equipo se ponga en funcionamiento y su resistencia de ensuciamiento sea nula, utilizando el método de la eficiencia-NUT. La funcionalidad de la viscosidad del aceite con la temperatura se presenta en la siguiente tabla: T (K) , kg/m s

330 3,6 10-3

340 3,02 10-3

350 2,5 10-3

420 7,4 10-4

450 5,2 10-4

4. 175000 Kg/h de un hidrocarburo de 31 API ( = 0.87 a 15.5C) deben enfriarse desde 121C hasta 65.5C con 260000 Kg/h de agua que entra a 29C. Las caídas de presión permitidas para cada corriente son 82640 N/m 2. Los factores de obstrucción del aceite y del agua son de 0.0007 y 0.0002 W/ ºC m2, respectivamente. Se emplearán tubos de admiralty de 3/4” DE; 16 pies de longitud, 16 BGW, con arreglo en cuadro de 1”. Los deflectores son 20% segmentados y B = 0.2 D cor. Compare el funcionamiento de los intercambiadores que cumplen con los requerimientos del proceso usando: a) tubos lisos (no aletados) y b) tubos con 19 aletas cortas por pulgada, de 1/6” de altura. Viscosidad del aceite de 31 API a

37C 65.5C 149C

1.15 cp 0.85 cp 0.45 cp

5. Se desea tratar térmicamente suero de manteca para asegurar la destrucción de bacterias patógenas, sin afectar de manera importante las propiedades físico-químicas del suero. Se debe seleccionar un equipo capaz de realizar la primera parte del proceso, que consiste en calentar 2.75 Kg/s de suero, desde su temperatura de almacenamiento (4ºC) hasta 75ºC, temperatura a la cual se llevará a cabo la pasteurización. Utilice 10 kg/h de agua a 95ºC como fluido caliente y un intercambiador de placas con corrugaciones tipo sardineta a 30º, de 1 m de largo x 0.25m de ancho. Mantenga el espaciado entre placas en 5 mm. Considere las siguientes propiedades para el suero de manteca:  = 1038.4 Kg/m3;  = 0.0014 Kg/ms; k = 0.585 W/mK; Cp = 3945 KJ/Kg ºC. La resistencia de ensuciamiento combinada se estima en 0.0003 m2K/W. a) Calcule los coeficientes globales de transferencia de calor, la temperatura del agua a la salida del equipo y las pérdidas de carga para equipos con 40, 60 y 80 placas. Explique el comportamiento observado. b) Discuta además el efecto de modificar las distintas variables de diseño: ángulo de las corrugaciones, espaciado entre placas, caudal (o temperatura) de fluido caliente, etc.

SEMINARIO NO 13

INTERCAMBIADORES DE CALOR III

1. Se van a enfriar 33 kg/s de metanol desde 65 ºC hasta 30 ºC utilizando agua de enfriamiento a 25 ºC. El agua no podrá calentarse por encima de 40 ºC por requerimientos del sistema de refrigeración de la planta. Se acepta una pérdida de carga de 150000 Pa para el metanol y de 120000 Pa para el agua. El diseño se realizará considerando una resistencia de ensuciamiento total de 5 10-4 m2 K/W. Las propiedades físicas del metanol son las siguientes: k = 0.21 W/m K

 = 800 kg/m3

Viscosidad de metanol (kg/m s) T (ºC) 74 60 m 0.00030 0.00036

cp = 2508 J/kg K

50 0.00040

40 0.00047

30 0.00054

La política de la planta es utilizar tubos de 3/4” BWG 14 (Di = 0.0147 m, Do = 0.019 m) siempre que sea posible y preferir arreglos (en serie o paralelo) de equipos de 1 paso en la coraza antes que un único equipo con más de un paso por la coraza. a) ¿Puede cumplir con los requisitos de intercambio de calor con un único equipo? Explique su respuesta. b) Seleccione y verifique un equipo o arreglo de equipos que le permita cumplir con los requisitos del proceso.

2. Un solvente comercial ( = 0.21 10 -3 Pa.s, Cp = 2386.5 J/Kg K, k = 0.36 W/m K,  = 790 Kg/m3) a 121 oC debe enviarse a almacenaje a 38 oC a razón de 27240 Kg/h. El calor será recibido por 84000 Kg/h de ácido acético al 100% ( = 1070 Kg/m3), que entrará al equipo a 32 o C. La caída de presión en ambos fluidos debe ser menor a 69000 N/m 2. El factor de ensuciamiento combinado puede tomarse como 0.0007 m2 oC / W. a) Proponga un equipo para realizar esta tarea. Explique cada una de las decisiones que tome. b) Verifique el equipo propuesto utilizando los métodos de Kern y Bell. Compare y discuta los resultados. c) Intente completar una hoja de especificaciones para un posible fabricante. d) Explique que sucedería con las variables calculadas en el punto anterior y que modificaría para poder seguir utilizando el equipo propuesto si: 1) Se duplica el caudal de solvente. 2) Se requiere que la temperatura de salida del solvente sea menor. 3) La pérdida de carga admisible para el fluido que circula por la coraza se reduce a la mitad.

SEMINARIO NO 14

CONDENSADORES

1.- ¿Que relación L/D produciría la misma rapidez de flujo de calor de condensación en película laminar para un tubo en las posiciones horizontal y vertical? Suponer que el diámetro del tubo es grande comparado con el espesor del condensado. 2.- Un condensador para refrigerante 12 (diclorodifluormetano) consta de 15 tubos de 19 mm de diámetro exterior arreglados en 5 hileras con una longitud de 3 ft. El refrigerante se condensa en el exterior de los tubos a 51.6 oC siendo la temperatura de los tubos 44.4 oC. Considera Ud. que el condensador debe montarse horizontal o verticalmente? 3.- Se desean condensar 7.5 Kg/s de isobutano puro a 331.7 K en un intercambiador de tubo y coraza horizontal. Se dispone de agua a 301 K. La resistencia de ensuciamiento se estima en 0.0005 K m2/W. Diseñar el equipo con tubos de 3/4” - 16 BWG. 4.- Se desea condensar 1.25 Kg/s de benceno a presión atmosférica en un intercambiador de tubo y coraza vertical equipado con tubos de 1” de 15 BWG y 2.5 m de longitud. El agua de refrigeración ingresa a 295 K pasando a través de los tubos con una velocidad de 1.05 m/s. Calcule el número de tubos necesarios si el equipo esta dispuesto para un solo paso de agua de refrigeración. 5.- DESOBRECALENTADOR - CONDENSADOR HORIZONTAL Se desean desobrecalentar y condensar 5144 kg/h de propano provenientes de la descarga de un compresor a una presión de 1300 kPa y 60 ºC, utilizando como medio refrigerante agua a 30 ºC que no puede calentarse más de 4 ºC. A esta presión, la temperatura de condensación del propano es de 37,2 ºC. El solvente se condensará en la carcasa. Se espera una resistencia de ensuciamiento de 0,0003 m 2 ºC / W para el lado del agua y de 0,0001 m2 ºC / W del lado del propano. Se ha propuesto utilizar el siguiente equipo 1-6 en posición horizontal: N = número de tubos = 672 arreglados en cuadro con Pt = 23,81 mm; L = longitud de los tubos = 4 m; B = separación entre deflectores = 150 mm; tubos de 3/4” BWG 13 (Di = 0,0144 m; D0 = 0,019 m) Ds = diámetro interno de la coraza = 762 mm Las propiedades físicas del propano y del agua son las siguientes: Propano Propano líquido vapor Densidad, kg/m3 28,1 476 Viscosidad, Pa*s 0,009 10-3 0,09 10-3 Conductividad térmica, W/m ºC 0,020 0,088 Calor específico, J/ kg ºC 2030 3020 Calor de condensación, kJ/kg 314

Agua líquida 1000 10-3 4187

Muy importante: como el equipo está en posición horizontal, la primera zona se utilizará para desobrecalentar y la última para condensar, por lo que puede resolver el problema como dos equipos en serie. En otras palabras, Ud. puede comparar la suma de las áreas requeridas para cada proceso con la disponible en forma directa. Para hacerlo, se recomienda que suponga que el primer metro de longitud del equipo se usa para desobrecalentar y el resto (3 m) para condensar. Obviamente al final del cálculo deberá comprobar esta suposición. a) Evalúe el equipo desde el punto de vista térmico y responda a las siguientes preguntas, justificando su respuesta:

1) ¿Sirve el equipo para la tarea propuesta? 2) Suponiendo que las correlaciones que usó para sus cálculos no tienen error, en qué condiciones (vapor sobrecalentado, mezcla de líquido más vapor saturados, líquido saturado, líquido subenfriado, etc.) saldrá el propano del equipo antes de la parada técnica para limpieza? 3) ¿En qué condiciones saldrá el propano del equipo luego de la limpieza? En este caso considere que ambas resistencias de ensuciamiento valen 0 (cero). 4) ¿Cuáles son las resistencias controlantes en cada “parte” (desobrecalentador / condensador) del equipo. En este caso justifique numéricamente su respuesta. 6.- DESOBRECALENTADOR - CONDENSADOR VERTICAL 57 000 lb/h de n-hexano casi puro entran a la coraza de un condensador vertical 1-2 a 5 psi y 220 oF. El rango de condensación es de 177 a 170 oF. Se utiliza agua de enfriamiento entre 90 y 120 oF. Evalúe la posibilidad de llevar a cabo la operación, si la caída de presión permitida en los tubos es de 8 psi, en un equipo de las siguientes características: Ds = 31” L Tubos = 16 ft

No Tubos = 650 Dist. Tubos = triangular - 1”

D Tubos = 3/4” - 16 BWG Espaciado entre baffles = 18”

7.- CONDENSADOR - SUBENFRIADOR 24 000 lb/h de un vapor de metiletilcetona a 2 psi (P.E. = 180 oF) deben condensarse y enfriarse a 160 oF mediante agua que pasa de 85 oF a 120 oF. Evaluar si es adecuado un equipo 1-2 como el siguiente: Ds = 25” L Tubos = 16 ft

No Tubos = 468 Dist. Tubos = triangular - 15/16”

D Tubos = 3/4” - 16 BWG

EVAPORADORES

SEMINARIO NO 15 1.

En un evaporador simple entran 15 000 Kg/h de una solución coloidal de composición 5% en peso y ha de concentrarse hasta 20%. La calefacción se efectúa por medio de vapor vivo que condensa a 110 oC y abandona la cámara de condensación sin subenfriarse. En la cámara de evaporación se mantiene una presión absoluta de 250 mmHg. La solución no presenta un aumento apreciable del punto de ebullición y su calor específico puede considerarse igual al del agua independientemente de la concentración en el rango de trabajo. La alimentación entra a 20 oC. El coeficiente global de transferencia de calor puede considerarse igual a 1 800 Kcal/h m 2 oC. El vapor procedente de la disolución se condensa en un equipo de contacto directo con agua que ingresa a 20 oC y sale a 30oC. Calcular: a.- La superficie de calefacción. b.- El consumo de vapor. c.- El consumo de agua de enfriamiento.

2.

Se desea concentrar una solución de coloides orgánicos desde 20% hasta 65% de sólidos en un evaporador de tubos verticales. El calor específico promedio de la solución orgánica en el rango de composición de trabajo es 0.93 Kcal/Kg oC. Se dispone de vapor saturado a 0.7 Kg/cm 2 (absoluta). La cámara de evaporación trabaja a 100 mmHg. El coeficiente global de transferencia de calor es de 1 500 Kcal/h m 2 oC. Si se deben evaporar 20 000 Kg/h de agua calcular la superficie de calefacción y el consumo de vapor para: a.- T alimentación = 15 oC b.- T alimentación = 50 oC c.- T alimentación = 80 oC

3. Se desean concentrar 6000 Kg/h de una solución acuosa de Na(OH) al 10% peso en peso que entrará a un evaporador de simple efecto a 80ºC. Se dispone de vapor vivo (saturado) a 5 atm como fuente calefactora. El vapor generado en el evaporador ingresa a un condensador que opera a 10 psi. No hay válvulas reductoras de presión en la cañería que conecta al evaporador con el condensador. Para esta tarea se cuenta con un evaporador que posee 50 tubos de 2” de diámetro externo y 16 ft de longitud. Se estima que el coeficiente global de transferencia de calor (referido al área externa) para el equipo en estas condiciones de operación será de 2840 W/m2ºC. a) Determine la temperatura, concentración y el caudal másico de la solución a la salida del evaporador. b) Calcule la economía de vapor del equipo.

4. Un evaporador de doble efecto se utilizará para concentrar 10 000 lb/h de una solución de azúcar del 10 al 30% en peso. La alimentación entra al segundo efecto a 70 oF. El vapor saturado a 230 oF se alimenta la primer efecto. La temperatura del condensador final será 110oF. Los coeficientes totales de transferencia de calor se estiman 400 y 300 BTU/h ft 2 para el primer y segundo efecto respectivamente. Las superficies de calentamiento son las mismas en cada efecto. Considerando el Cp constante e igual a 0.95 BTU/lb oF, calcular, a.- La temperatura de cada efecto. b.- El consumo de vapor c.- Las libras de agua evaporada por libra de vapor vivo.

d.- La concentración de azúcar a la salida del segundo efecto.

5. Un caudal de 14 400 Kg/h de una solución de NaOH al 10% en peso se quiere concentrar hasta un 50% en un evaporador de triple efecto (ver figura), con alimentación en contra corriente. La alimentación ingresa a 25 oC. Se dispone de vapor de calentamiento a 12 Kg/cm2 y la temperatura del condensador es 30 oC. Las áreas son iguales. Calcular, a.- La superficie de calefacción b.- El consumo de vapor c.- La economía de vapor (masa de vapor producida/masa de vapor vivo) Considere para este sistema que U1 = 3 442 Kcal/h m2 ,U2 = 3 012 Kcal/h m2 y U3= 2 585 Kcal/h m2.

1er EFECTO Vapor

2do EFECTO

3er EFECTO

Al condensador Carga

Producto

CICLOS DE VAPOR

SEMINARIO NO 16

1. Realizar un diagrama tecnológico del Ciclo Rankine sin sobrecalentamiento de vapor. Describir el proceso en un diagrama T-S, plantear los balances de energía correspondientes al ciclo y la ecuación de rendimiento para el mismo. 2. a.- Realizar un diagrama tecnológico del Ciclo Rankine con sobrecalentamiento de vapor. Describir el proceso en un diagrama T-S. b.- Calcular el rendimiento y los consumos específicos teóricos de calor (CTC) y de vapor (CTV) del ciclo para las siguientes condiciones; P caldera = 40 atm. P condensador = 0.07 atm T sobrecalentamiento = 320 oC 3. Recalcular el rendimiento y los consumos específicos teóricos de calor (CTC) y de vapor (CTV) del ciclo del inciso 2.b.- modificando las siguientes condiciones a.- Pcaldera = 50 atm. b.- Pcondensador = 0.06 atm c.- Tsobrecalentamiento = 390 oC 4. Para cada uno de los casos analizados anteriormente (2.b.-, 3.a.-, 3.b.- y 3.c.-) calcular los consumos reales de calor (CRC) y vapor (CRV) considerando:  turbina = 0.8;  caldera = 095;  realimentación = 0.95 1. a.- Realizar un diagrama tecnológico del Ciclo Rankine con recalentamiento de vapor. Describir el proceso en un diagrama T-S. b.- Calcular el rendimiento y los consumos específicos teóricos de calor (CTC) y de vapor (CTV) de una instalación que funciona con un ciclo como el descripto en a.- bajo las siguientes condiciones; P caldera = 85 atm. P condensador = 0.04 atm P sobrecal = 40atm T sobrecalentamiento = 480 oC  turbina = 0.76 1. a.- Realizar un diagrama tecnológico del Ciclo Rankine con dos extracciones y un recalentamiento. Describir el proceso en un diagrama T-S. b.- Calcular el rendimiento y los consumos específicos teóricos y reales de calor y de vapor de una instalación que funciona con un ciclo como el descripto en a.- bajo las siguientes condiciones: P caldera = 80 atm. P condensador = 0.03 atm T sobrecalent. = 460 oC  turbina = 0.8  caldera = 0.85  realimentación = 0.95 P recalentamiento = 40atm Nota: Las extracciones se realizan a las temperaturas óptimas c.- Responda: ¿Qué modificaciones propondría en las condiciones de proceso para lograr un mayor rendimiento del ciclo? ¿Cuál es el objetivo de realizar extracciones de vapor durante la expansión de la turbina? Qué límite propondría como presión del condensador? 2. Una caldera que genera 4000 Kg/h de vapor saturado a una presión de 2 kg/cm 2, que se utiliza para alimentar un intercambiador de calor. En ese equipo, el vapor se condensa totalmente y se subenfría, saliendo del intercambiador a 80C. Luego se bombea a la caldera para repetir el circuito. Al Ingeniero en jefe se le ocurrió aprovechar mejor la caldera, utilizándola para una planta de potencia. Para ello propone incrementar la presión de la misma hasta 28 kg/cm 2, y

utilizar ahora el vapor a la salida de la turbina como corriente caliente en el intercambiador de calor. Para no tener que modificar también el intercambiador de calor, es deseable que el vapor siga entrando a este equipo a la misma temperatura y presión (2 kg/cm 2) y que siga saliendo como agua líquida subenfriada a 80ºC. El rendimiento de la turbina que se compró para crear esta planta de potencia es del 62%. Ud. debe calcular: a) la temperatura de sobrecalentamiento necesaria para asegurar un vapor de escape (salida de la turbina) con un título de 0.97. b) el consumo adicional de vapor en el intercambiador de calor al instalar la planta de potencia. c) la potencia producida en la turbina, medida en HP. 2. La propulsión de un barco se efectúa mediante una planta de potencia de vapor, que se muestra esquemáticamente en la figura. La turbina de alta (TA) y la de baja (TB) desarrollan de modo conjunto una potencia axial de 15 MW, que se comunica a las hélices; y otra turbina (TG) por separado desarrolla una potencia de 0,5 MW, que alimenta un generador eléctrico. La caldera suministra vapor a la turbina de alta y a la del generador a 60 bar y 500 °C. El vapor de escape de estas dos turbinas (TG y TA) es de 5 bar, y el rendimiento isoentrópico (eficiencia) de ambas es de 0,9. El vapor de escape de la TB entra al condensador a 0,1 bar con un título de 0,89, y el condensado abandona el condensador a 30 °C. El mezclador del agua de alimentación es de tipo abierto, y la entalpía específica del agua de alimentación que abandona el mezclador es de 143,3 kcal/kg. Refiriéndose a la figura, determine: a) el estado térmico de cada corriente (líquido saturado o subenfriado; mezcla de líquido + vapor; vapor saturado o sobrecalentado) y las condiciones de presión y temperatura a las que se encuentran. b) la representación gráfica del ciclo en un diagrama T vs S. c) el flujo másico de vapor que entra en cada una de las tres turbinas. d) la eficiencia de la turbina de baja (TB). e) el rendimiento térmico del ciclo, en función de una producción total de turbinas de 15,5 MW.

Caldera

1

TA

15 MW

TB

1 2

2 3

7 6 Mezclador

5

2 TG

0,5 MW

4

Condensador

ECUACIONES

860 Kcal KW.h CTV = Wturbina Kcal Kg vapor

CTC =

860 Kcal KW.h η ciclo

860 Kcal KW.h  CTCo = η ciclo • Ps

 860 Kcal

KW.h CRV = Wturbina ideal• η turb • η rea lim ent

CRC =

planta = η ciclo • η turb • η rea lim ent • η caldera









860 Kcal KW.h

η ciclo • η turb • η rea lim ent • η caldera

CRCo =

860 Kcal

KW.h η planta • Ps

REFRIGERACION

SEMINARIO NO 17

1. Realizar un diagrama tecnológico del ciclo standard de refrigeración, describir el proceso en un diagrama log P vs. H y en un T vs. S. Plantear los balances del ciclo y la ecuación de eficiencia del mismo. 2. Un fabricante ofrece un equipo frigorífico con las siguientes características, Sistema seco sin subenfriamiento Tevaporador = -14 oC

T condensador = 35 oC

Producción = 5 000 Frigorías/h

Caudal = 10 Kg/h NH3

Comprobar el sistema. 3. Un fabricante ofrece un equipo frigorífico con las siguientes características, Sistema seco sin subenfriamiento Tevaporador = -5 oC

Producción = 40 000 Frigorías/h T condensador = 30 oC

Evaluar el caudal de NH3 a circular y el coeficiente de efecto frigorífico. 4. En una instalación en la cual se conocen las temperaturas de evaporación (-10 oC) y condensación (25oC) se desean obtener 10 000 frig./h. Se cuestiona si sería más económico hacerlo con Freón 22 que con amoníaco; siendo el costo de este último 10 veces mayor. 5. Una empresa utiliza un sistema de refrigeración con R12, con un compresor de alimentación de un evaporador para acondicionamiento de aire y un evaporador de baja temperatura para refrigeración industrial. El evaporador para acondicionamiento de aire es un enfriador de líquido de 80 Ton de capacidad, mantenido a temperatura de 4.4 oC por una válvula reductora de presión ubicada a la salida del evaporador. El evaporador de baja temperatura es de 25 Ton. y funciona a -12.2 oC. La presión de admisión del compresor es igual a la presión del evaporador de baja y la temperatura de condensación es 32.2 oC. Calcular la potencia consumida por el compresor (HP). 6. En un sistema con R12 la capacidad es de 35 Ton. a -28.9 oC. El vapor es bombeado desde el evaporador por un compresor hasta la presión de condensación (8.44 Kg/cm 2). El sistema va ser mejorado haciendo la compresión en dos etapas, con refrigeración del vapor, pero sin separación del líquido saturado a 3.2 Kg/cm 2, según el esquema siguiente ,

Condensador

5

CICLO MEJORADO

4

8.44 Kg/cm2 3

6

7

Evaporador -28.9oC

2

1

a.- Representar los ciclos en un diagrama P-H y T-S b.- Calcular la potencia del compresor único del sistema original c.- Calcular la potencia total consumida en el ciclo mejorado d.- Comparar las temperaturas finales de trabajo de compresión 7. Un sistema de amoníaco con un evaporador de 45 Ton que funciona a -1.1 oC, y uno de 10 Ton a -40 oC; utiliza separador de vapor saturado y enfriador de vapor. La temperatura de condensación es 32.2 oC. ¿Cuál es el caudal en el compresor de alta?

Condensador

Evaporador 45 Ton

2 Evaporador 10 Ton

1

8. Se proyecta una instalación de refrigeración como se muestra en la figura. Un evaporador a -70oC se alimenta con R12 componiendo un ciclo standard. El condensador de este ciclo trabaja por enfriamiento con amoníaco a -30 oC proveniente de un ciclo de refrigeración de tres etapas con un evaporador a -20 oC. Evaluar: a.- las potencias de los cuatro compresores b.- La masa de agua necesaria en el condensador de NH 3 si esta se calienta 10oC. c.- Los diámetros de los separadores si son cilindros verticales. Estimar la velocidad de salida del vapor. DATOS: T condensador de amoníaco = 30oC

T condensador de R12 = - 25oC

Capac. evaporador de amoníaco = 30 000 Frig/h

Capac. evaporador de R12 = 80 000 Frig./h

P separador 1 = 4.89 Kg/cm2

P separador 2 = 1.94 Kg/cm2

El vapor se sobrecalienta 5oC en el trayecto entre el evaporador de NH3 y el separador.

Condensador

Evaporador

Evaporador Condensador

Evaporador

9. Se ha calculado que son necesarios una capacidad de 50 Ton para mantener una cámara a 0oC y 20 Ton para congelar un producto a -28 oC. El esquema tecnológico adoptado se detalla en la figura. Para las siguientes condiciones de proceso:  Se dispone de agua a 18oC que no puede calentarse más de 5oC.  A la salida del evaporador de baja el fluido se calienta 5 oC  En el intercambiador el fluido se enfría 10 oC Calcular: a.- Potencia y caudales bombeados por los compresores b.- Diámetro necesario en el separador enfriador c.- Masa de agua necesaria d.- Eficiencia del sistema.

Condensador

Evaporador

Evaporador

10. Una heladería tiene un sistema de refrigeración en dos etapas en cascada que opera entre 0.10 MPa y 1 MPa (ver figura inferior). Cada etapa opera de acuerdo a un ciclo ideal con R12 como fluido de trabajo. La condensación del refrigerante en el ciclo inferior ocurre a 0.4 MPa y el caudal másico de R-12 en el ciclo superior es de 0.12 kg/s. a) Seleccione un presión adecuada para la evaporación del refrigerante en el ciclo superior. b) Represente el sistema de refrigeración en el diagrama p vs H que se le suministró. c) Calcule el caudal másico de R-12 del ciclo inferior. d) Calcule la capacidad de refrigeración del sistema de refrigeración, en ton. e) ¿Cuál es la mínima temperatura a la que se podría mantener el helado? f) Calcule la producción diaria de helado (masa de helado que puede congelarse por día). Para este punto considere que el helado entrará a la cámara a temperatura ambiente = 25ºC y que se almacenará a la temperatura seleccionada en el punto anterior. g) Analice las ventajas o desventajas de esta propuesta en comparación con la utilización de un ciclo standard entre 0.10 MPa y 1 MPa. Datos adicionales 1 ton = 3024 Kcal/h 1 cal = 4.187 J 3.72x10 -4 HP = 1 KJ/h Punto de congelación del helado = -1C Cp helado por encima del punto de congelación = 0.98 cal/ g C Cp helado por debajo del punto de congelación = 0.4 cal/ g C Calor latente de fusión de helado = 60 cal / gr

Condensador Evaporador Condensador

Evaporador

11. En el siguiente esquema se muestra el sistema de refrigeración con el que cuenta una empresa.

Condensador

Compresor de alta T = 20C

Evaporador 2

Evaporador 1 Compresor de baja A la planta llega una carga diaria de 12000 lb/día de pescado a 15C, que debe enfriase hasta -23C en 24 horas. También se reciben 75000 lb/día de mariscos a 15C que deben ser almacenados a 0C.

Para el intercambio de calor en el condensador se dispone de agua de refrigeración a 10C, que no puede calentarse a mas de 25C (cota fijada por las normas ISO 14000 de calidad ambiental). Se usará amoníaco como refrigerante. Note que una de las corrientes de salida del condensador se subenfría 20C en el separador. Los cálculos que el sector técnico de la planta le han solicitado son los siguientes: a) cantidad de calor a intercambiar en cada evaporador. b) los caudales másicos de refrigerante que circulan por cada rama. c) potencia total de compresión. d) coeficientes de efecto refrigerante de cada evaporador. e) el área del separador (la velocidad de ascenso del vapor es de 1 m/s). f) coeficiente de funcionamiento del ciclo. g) caudal de agua de enfriamiento. Datos:

Producto

Punto de

Calor específico por

Calor específico por

Calor latente

congelación

sobre el punto de

debajo del punto de

de fusión,

, F

congelación, Btu/lb

congelación, Btu/lb

Btu/lb

F

F

Pescado fresco

28

0.7 – 0.9

0.38 – 0.45

122

Mariscos frescos

28

0.83 – 0.9

0.44 – 0.46

120

ECUACIONES Y CAMBIOS DE UNIDADES

Coeficiente de Efecto Refrigerante 1Ton = 3 024 Kcal/h 1 Frigoría = 1 Kcal

=

Efecto refrigerante real Efecto refrigerante máximo