Curso: TermodinámicaEscuela Académica Profesional de Ingeniería Industrial Docente: Mg. Luis R. Larrea Colchado Correo:
[email protected] GUIA DE PROBLEMAS: INTERCAMBIADORES DE CALOR Problema 1 Determinar el área de intercambio térmico que se necesita para que un intercambiador de calor construido con un tubo de 25,4 mm de diámetro exterior, enfríe 6,93 kg/seg de una solución de alcohol etílico al 95%, Cp=3.810 J/kg°K, desde 65,6°C hasta 39,4°C, utilizando 6,3 kg de agua por segundo a 10°C. Se supondrá que el coeficiente global de transferencia térmica basado en el área exterior del tubo es de 568 W/m°C. El problema se realizará en los siguientes supuestos: A. Carcasa y tubo con flujos paralelos. [R: AEXT = 66,55 m2 L = 834m] B. Carcasa y tubo con flujos en contracorriente. [R: AEXT = 41,47 m2] C. Intercambiador en contracorriente con dos pasos en carcasa y 4 pasos de tubos de 72 tubos en cada paso, circulando el alcohol por la carcasa y el agua por los tubos. [R: AEXT = 42,75 m2 L =1,86 m] D. Flujo cruzado, con un paso de tubos y otro de carcasa, siendo con mezcla de fluido en la carcasa. [R: AEXT = 47,39 m2] Problema 2 Cuál es el máximo calor intercambiado en un intercambiador en contracorriente, tal como se muestra en la figura, si el agua entra a 30 °C y enfría aceite que penetra a 60ºC. Masa de aceite : 2,6 kg/seg ; Cp aceite = 2,2 kJ/kg °K Masa de agua : 1,5 kg/seg ; Cp agua = 4,19 kJ/kg °K Problema 3 En un intercambiador de calor con flujos en contracorriente, por el que circulan 5 (kg/min) de agua y 8 (kg/min) de aceite, el agua entra a 20 °C y sale a 40 °C, mientras que el aceite entra a 90 °C. El calor específico del agua es, Cp (agua) = 1 Kcal/kg °C y El calor específico del aceite obedece a la siguiente relación, Cp (aceite) = 0,8 + 0,002 T(aceite), con T(aceite) en ºC. Determinar: A. La temperatura de salida del aceite. [R: T = 77,07 °C] B. El valor de la LMTD. [R: 53,45 °C] Problema 4 Se desea construir un intercambiador de calor para producir 5 m3/hr de agua caliente sanitaria a 50 °C, partiendo de agua de la red a 20°C, por lo que se emplea agua caliente proveniente de una caldera, que entra en el cambiador a 90 °C y experimenta un enfriamiento de 20 °C. Sabiendo que el intercambiador debe ser del tipo de un paso por carcasa y dos pasos de tubos, que los tubos son de cobre puro de 14 mm de diámetro Curso: Termodinámica Escuela Académica Profesional de Ingeniería Industrial Docente: Mg. Luis R. Larrea Colchado Correo:
[email protected] exterior y 10 mm de diámetro interior, y que por su interior circulará agua fría con una velocidad máxima de 0,5 (m/s), que el líquido caliente circula a 0,2 (m/s) por la carcasa, que el coeficiente de película exterior de los tubos es de 1920 (Kcal/h.m2°C), Determinar: A. El número de tubos por paso de tubos del intercambiador. [R: 36] B. El diámetro interior de la carcasa. [R: Di = 0,1654 m] C. La longitud del intercambiador. [R: 1,125 m] Problema 5 Se quieren recalentar 10 (Tm/hora) de vapor de agua saturado a la presión de 20 atm hasta los 400 °C. Para ello se utilizan los humos procedentes de un hogar, con una velocidad de entrada de 9,5 m/seg que llegan al recalentador a 700 °C y salen del mismo a 500 °C. El recalentador está formado por un haz de tubos horizontales dispuestos en alineación rectangular, con corriente de humos perpendicular a las generatrices de los mismos. Las características de los tubos son, diámetro interior, 50 mm; diámetro exterior, 60 mm ; longitud de cada tubo, L = 20 m; conductividad térmica, k = 50 Kcal/h.m.°C El recuperador tiene 5 hileras de tubos El coeficiente de película humos-tubos es, hC(humos) = 40 Kcal/h.m2.ºC El coeficiente de película vapor de agua-tubos es, hC(vapor de agua) = 1.000 Kcal/h.m2.ºC Determinar: A. El nº de tubos que conforman el recalentador [R: 25] B. La temperatura media de la superficie exterior de la pared de los tubos. [R: 320,5°C] C. La velocidad del vapor de agua en m/seg [R: 7,2 m/s] Problema 6 En un proceso industrial se desea enfriar un caudal de 5000 m3/hora de gases (velocidad 10 m/seg), desde una temperatura de 300 °C hasta 200°C, para lo que se utiliza un caudal volumétrico de aire de 5000 m3/hora, que entra en el dispositivo a una temperatura de 80°C. Con estos datos se desea realizar el diseño de un recuperador - intercambiador multitubular, para lo cual hay que calcular el número de tubos y la longitud de cada tubo, empleándose tubos normalizados de diámetro exterior de = 30 mm y espesor e = 2,5 mm. Las configuraciones a diseñar son las siguientes: A. Un intercambiador con circulación en contracorriente. [R: L= 0,796m] B.1. Un intercambiador de flujos cruzados con mezcla de fluido en la carcasa (aire) y sin mezcla en el otro fluido que circula por el interior de los tubos (gases), y un paso de tubos. [R: L= 0,895m] B.2. Un intercambiador de flujos cruzados con mezcla de ambos flujos a la entrada y a la salida, y un paso de tubos. Los gases circularán en ambas configuraciones por el interior de los tubos. [R: L = 0,8566m] Datos: Cp del aire y de los gases, 0,24 (Kcal/kg.°C) Densidad del aire y de los gases, 0,85 (kg/m3) Coeficiente global de transmisión de calor, 40 (Kcal/h.m2.°C) Problema 7 Se desean calentar 75 kg/min de agua desde 50ºC hasta 80ºC por medio de un aceite que tiene un calor específico de 1,9 J/g °K. El intercambiador de calor que va a usarse es del tipo de doble tubo con flujos encontrados. El aceite debe entrar a 110 °C y salir a 70 °C. Se Curso: Termodinámica Escuela Académica Profesional de Ingeniería Industrial Docente: Mg. Luis R. Larrea Colchado Correo:
[email protected] estima que el coeficiente total de transferencia de calor es igual a 350 W/m K. Calcule el área de transferencia de calor. Problema 8 Agua a razón de 15.000 kg/h se calienta desde 38 °C hasta 55 °C en un intercambiador de calor del tipo de coraza y tubo. El fluido caliente que circula por la coraza es agua, la cual entra al intercambiador de calor a una temperatura de 94 °C y a una razón de 7500 kg/h. El coeficiente de transferencia de calor basado en el diámetro interior de los tubos se estima en 1400 W/m K, y la velocidad promedio del agua por el interior de los tubos de 1,91 cm de diámetro interior es igual a 0,37 m/s. Debido a limitaciones de espacio el intercambiador de calor no debe tener una longitud mayor de 2,5 m. Calcule el número de pasos de tubos, el número de tubos por paso y la longitud de los tubos. 3. Se desean calentar 250 kg/h de agua desde 50ºC hasta 90 °C empleando aceite (Cp = 2 J/g K). Se dispone para este proceso de aceite a 180 °C y con un flujo de masa de 250 kg/h, así como de dos intercambiadores de calor de doble tubo: a) A = 0,50 m2 b) A = 1,00 m2 U = 570 W/m2 °K U = 370 W/m2 °K ¿Qué intercambiador de calor seleccionaría usted? Problema 9 Un condensador de vapor se diseña con las siguientes especificaciones: a) Tipo de carcasa y tubo b) Dos pasos de tubos c) Tubos de cobre, calibre 18 BWG de 19 mm de diámetro exterior. d) Longitud = 2,5 m e) 220 tubos/paso f) Velocidad promedio del agua = 1,5 m/s g) Temperatura del agua a la entrada = 22 °C ¿Qué tantos kilogramos por hora de vapor saturado seco a 120.82 kPa se condensarán? Problema 10 Se desean calentar 4500 kg/h de benceno (cp = 1,78 J/gm°K) desde 27ºC hasta 50 °C empleando tolueno (Cp = 1,84 J/gm°K), el cual se enfría desde 71 °C hasta 38 °C. Si se emplea un intercambiador de calor de doble tubo con flujos opuestos, a) Determine la diferencia media logarítmica de temperaturas, b) ¿Es posible usar el intercambiador con flujos en paralelo? Problema 11 Un intercambiador de calor de flujos cruzados, con ambos fluidos sin mezcla, tiene una superficie de intercambio A igual a 8,4 m2; los fluidos que se utilizan son los siguientes: Aire, de calor específico 1005 J/kg °C Agua, de calor específico 4180 J/kg °C El aire entra en el intercambiador a 15°C, a razón de 2 kg/seg El agua entra a 90 °C a razón de 0,25 kg/seg El coeficiente global de transmisión de calor es 250 W/m2°C. 2 2 Curso: Termodinámica Escuela Académica Profesional de Ingeniería Industrial Docente: Mg. Luis R. Larrea Colchado Correo:
[email protected] Determinar A. Las temperaturas de salida de ambos fluidos. [R: TC2 = 38,7°C ; TF2 = 41,68 °C] B. El calor intercambiado. [R: Q= 53,63 kW] INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO Problema 12: Calentamiento de benceno con tolueno. Se desean calentar 4500 kg/h de benceno frío de 25 °C a 50 °C usando tolueno caliente que se enfría desde 70 °C a 40 °C. La caída de presión permitida para cada corriente es de 70 kPa. Se dispone de un intercambiador de doble tubo de 3 horquillas de 6 m de longitud efectiva, con un arreglo de 2” x 1 ¼” IPS, Sch 40 conectadas en serie. ¿Es apt o el equipo para este servicio? Problema 13: Calentamiento de ortoxyleno con alcohol butílico. Una corriente de ortoxileno proveniente de un tanque de almacenamiento se debe calentar desde38 °C hasta 65 °C empleando una corriente de 8170 kg/h de alcohol butílico, el se enfría desde 76 °C hasta 60 °C. Para este propósito se dispone de un equipo de doble tubo compuesto de cinco horquillas de 6 m de longitud efectiva, con un arreglo 3” x 2” IPS Sch 40 conectadas en serie. a) ¿Es apto el equipo para este servicio?. b) Si el equipo es adecuado para el servicio solicitado, determine el coeficiente de ensuciamiento real y el sobredimensionamiento del equipo. c) Si las corrientes caliente y fría se cambian con respecto al ánulo y tubo interior de lo planteado en el ítem (a), ¿cómo justifica o refuta su decisión inicial respecto a donde colocar la corriente caliente? Problema 14: Calentamiento de benceno mediante nitrobenceno. Se desea calentar benceno en un intercambiador de doble tubo de 4 horquillas de 6 m de longitud efectiva con una configuración 2” x 1 ¼” IPS Sch 40, desde 38 °C hasta 60 °C mediante una corriente de 3630 kg/h de nitrobenceno que tiene una temperatura inicial de 82 °C. Determine el máximo y el mínimo caudal de benceno que se puede calentar en el equipo si para lograr un tiempo operativo razonable se debe adoptar una resistencia de ensuciamiento combinada de 7 x 10-4 m2 °C/ W. Problema 15: Diseño de un intercambiador de doble tubo. Se desea enfriar una corriente de 3000 kg/h de un solvente cuyas propiedades se indican más abajo, desde 40 °C hasta 30 °C. Se utilizará para ello una corriente de etilenglicol a 5 °C, para el cual puede adoptarse una temperatura de salida no mayor de 25 °C. a) Diseñar un intercambiador de calor de doble tubo apropiado para este servicio, teniendo en cuenta que las pérdidas de carga de cada corriente no debe exceder los 110 kPa y que la resistencia de ensuciamiento del solvente es de 3 x 10-4 s m2 ºC / J. Las propiedades del solvente evaluadas a su temperatura media de T = 35 °C, son: • = 790 kg/m3 ;Cp = 1922 J / kg °C • = 0,95 cP ;k = 0,187 J / s m °C Llenar la hoja de especificación del equipo. b) Diseñar nuevamente el intercambiador pero en lugar de utilizar etilenglicol como refrigerante se emplea agua de pozo a la misma temperatura de entrada de 5 °C y con las mismas limitaciones en cuanto a la pérdida de carga. Curso: Termodinámica Escuela Académica Profesional de Ingeniería Industrial Docente: Mg. Luis R. Larrea Colchado Correo:
[email protected] Compare y analice los resultados obtenidos. c) Para el equipo diseñado en el ítem (b), calcular la temperatura de salida del solvente y del agua para su primer día de funcionamiento (o sea, cuando su resistencia de ensuciamiento sea nula) d) Para el equipo diseñado en el ítem (b), calcular el caudal de agua que se debe emplear para que cuando éste se ponga en funcionamiento (equipo limpio) la temperatura de salida del solvente no sea menor a 30 °C (o sea, el valor de diseño) Problema 16: Diseño: enfriamiento de tolueno con agua. Se deben enfriar 5040 kg/h de tolueno desde 70 °C hasta 40 °C. Para ello se dispone de agua de enfriamiento a 30 °C en cantidad suficiente. Diseñar un equipo de doble tubo capaz de realizar esta operación, teniendo en cuenta los siguientes requisitos: · Garantizar para la corriente de tolueno una resistencia de ensuciamiento mínima de 2 x -4 10 °C m2 / W · La temperatura de salida del agua está fijada por requisitos en la torre de enfriamiento y es de 40 °C. · La pérdida de carga en ningún caso puede exceder el valor tope de 70 kPa. · A los efectos de fijar la geometría del equipo se sabe que: a) el local donde se instalará este equipo permite un largo útil máximo de 5m. b) las velocidades aconsejadas por razones del proceso son de 1 m/s para ambos fluidos. NOTA: completar hoja de especificación. INTERCAMBIADORES DE CASCO Y TUBOS Problema 17: Enfriamiento de un aceite de absorción con un destilado. Se enfrían 43600 kg/h de un aceite de absorción de 35 ºAPI desde 205 °C hasta 93 °C usándolo para calentar 101500 kg/h de un destilado de 35 ºAPI que tiene una temperatura de 37 °C. Se dispone para este servicio de un intercambiador de calor tipo AES 1-4 cuya coraza tiene un diámetro interno de 29”, en el interior de esta se disponen 356 tubos de 1” de diámetro externo, BWG 12 y 4,8 m de largo, en arreglo triangular con un espaciado de 1,25”. Los baffles están espaciados cada 10”. Se requiere un factor de ensuciamiento -4 combinado de 3,5 x 10 m2 °C / W para que el equipo funcione un tiempo razonable. a) Determinar si el intercambiador es adecuado para el servicio propuesto. b) En caso de que no cumpla con la condición operativa requerida proponga las modificaciones necesarias para que pueda cumplirse con el servicio requerido. Datos: •aceite| T= 38 °C = 2,6 cP •dest | t = 38 °C = 3,1 cP •aceite| T= 99 °C = 1,15 cP •dest.| t = 99 °C = 1,5 cP Problema 18: Precalentamiento de un crudo con kerosene. Un caudal de 14200 kg/h de un kerosene de 42 ºAPI que sale de una columna de destilación a 199 °C y se deben enfriar a 93 °C mediante un caudal de 48300 kg/h de un crudo de 34 ºAPI que proviene de un tanque de almacenamiento a 38 °C. Se dispone para este servicio de un intercambiador tipo AES 1-4 de 21 1/4” de Ds que tiene 154 tubos de 1” de Do, 13 BWG y 4,90 m de largo que están arreglados en cuadro con un paso de 1 1/4”. Los deflectores están espaciados a 0,127 m. Curso: Termodinámica Escuela Académica Profesional de Ingeniería Industrial Docente: Mg. Luis R. Larrea Colchado Correo:
[email protected] Se permite una caída de presión de 70 kPa en cada corriente y se requiere un factor -4 combinado de 7,1 x 10 m2 °C / W. a) ¿Será adecuado este intercambiador para el servicio deseado? b) Determinar el factor de obstrucción real. Problema 19: Enfriamiento de una solución de K3PO4 mediante agua de pozo. Un caudal de 6500 kg/h de una solución de K3PO4 al 30%, con un peso específico (a 50 °C) de 1,3, se debe enfriar de 65,5 °C a 32 °C empleando agua de pozo la cual se calienta de 15 °C a 27 °C. Se permite una caída de presión de 70 kPa en cada corriente y se requiere un factor de obstrucción combinado de 3,52 x 10-4 m2 °C / W. Se dispone para este servicio de un intercambiador tipo AES 1-2 de 10” de Ds que tiene 48 tubos de ¾” de Do, BWG 16 y 4,90 m de largo arreglados en cuadro con un paso de 1”. Los deflectores están espaciados a 0,05 m. ¿Será adecuado este intercambiador? Problema 20: Equipos en serie: enfriamiento de acetona mediante ácido acético. Una corriente de 19500 kg/h de acetona que se encuentra a 121 °C debe almacenarse a una temperatura de 38 °C. El calor transferido servirá para calentar una corriente de ácido acético al 100 % que elevará su temperatura de 32 °C a 65,5 °C. Se dispone de una caída de presión de 70 kPa para cada una de las corrientes y se prevé una resistencia combinada de -4 7 x 10 m2 °C / W para un tiempo operativo razonable. En planta se dispone de varios intercambiadores tipo AES 1-2 de 21 1/4” de Ds, con 272 tubos de ¾” de Do, BWG 14 y 4,90 m de largo con arreglo en cuadro y un pitch de 1”. Los bafles se encuentran separados a 0,127 m. Determinar cuántos equipos se deben conectarse en serie para cumplir con el servicio especificado.