Operaciones Básicas INGENIERO TÉCNICO INDUSTRIAL esp. en QUÍMICA INDUSTRIAL

INGENIERO TÉCNICO INDUSTRIAL esp. en QUÍMICA INDUSTRIAL
Operaciones Básicas
Hoja 6. Transmisión de Calor
1.-
Un contenedor refrigerado tiene forma cúbica con 2 m de lado. Las paredes interiores son de aluminio de 5
mm de espesor y se encuentran aisladas con una capa de corcho de 10 cm. Se ha medido una temperatura
de –5 y 20ºC en las paredes interior y exterior, respectivamente. Calcular las necesidades de enfriamiento
del contenedor. Datos: kaluminio = 204 W/(m.K) ; kcorcho = 0,043 W/(m.K).
Sol.: 257 W.
2.-
Un tubo de 1 cm de diámetro exterior está envuelto con una capa de 5 cm de asbesto (K = 1,79
kcal/h.m.ºC), seguida de una capa de corcho de 3,8 cm (K = 0,045 kcal/h.m.ºC). Si la temperatura de la
superficie exterior del tubo es de 143ºC y la temperatura de la superficie exterior del corcho es de 32ºC,
calcúlese la pérdida de calor por cada metro de tubo y la temperatura entre la capa de asbesto y de corcho.
Sol.: 53,6 kcal/h; 131,6ºC
3.-
Un tubo de acero inoxidable de 2 cm de diámetro interno y 4 cm de diámetro externo se recubre con una
capa aislante de 3 cm de espesor. La temperatura de la pared interna del tubo se mantiene a 600ºC,
mientras que la cara exterior del aislante se encuentra a 100ºC. Calcular:
a) Pérdidas de calor por metro de longitud.
b) Temperatura en la interfase tubo-aislante.
Datos: kacero = 19 W/(m.K) ; kaislante = 0,2 W/(m.K)
Sol.: 680,4 W; 596ºC
4.-
Una tubería de acero de 2,375” de diámetro externo y 2,157” de diámetro interno conduce vapor
recalentado. La temperatura del vapor es de 115ºC y la del aire en el exterior es de 25ºC. Calcular:
a) Pérdidas de calor por metro de tubería.
b) Se recubre el tubo con una capa de fibra de vidrio de 3 cm de espesor ¿Qué reducción se
consigue en la pérdida de calor? Suponer que haire se mantiene constante.
Datos: kacero = 18 W/(m.K) ; kaislante = 0,05 W/(m.K) ; haire = 5 W/(m2.K) ; hvapor = 60 W/(m2.K)
Sol.: a) 78,14 W; b) 59,2 %
5.-
Se proyecta un cambiador de calor formado por un tubo de cobre de 12 mm de diámetro interno y 1,0 mm
de espesor, introducido en otro de mayor diámetro, perfectamente aislado del exterior. El cambiador se
empleará para enfriar 200 kg/h de benceno desde 70ºC hasta 25ºC, en contracorriente con agua que entra a
18ºC. Calcúlese:
a) El caudal del agua para que su temperatura a la salida no exceda de 50ºC.
b) La longitud total de tubo del cambiador, en estas condiciones.
c) La eficacia del intercambio de calor.
Datos: U = 280 kcal/m2.h.ºC 
Cp(C6H6) = 0,43 kcal/kg.ºC
Sol.: a) 121 kg/h; b) 29,6 m; c) 86,54%
6.-
Se pretende utilizar un cambiador de carcasa-tubo para enfriar 100 kg/s de ácido sulfúrico del 98% desde
60ºC hasta 40ºC. Para ello se dispone de agua a 10ºC con un caudal de 50 kg/s. El coeficiente global de
transmisión de calor es 500 W/m2.K. Determínese el área necesaria para este cambiador tanto si se trabaja
con corrientes paralelas como si se utiliza en contracorriente.
Nota: Asúmase que el coeficiente global de transmisión de calor (U) es el mismo en ambos casos.
Datos: Cp (H2O): 4200 J/kg.K; Cp(H2SO4): 1500 J/kg.K
Sol.: Aparal.: 202,7 m2; Acont.: 183,1 m2
7.-
Se necesita construir un cambiador para enfriar 20 kg/s de agua desde 87 ºC hasta 67ºC. Como fluido
refrigerante se utilizará agua a 27ºC con un caudal de 25 kg/s. El tipo de cambiador elegido es de tubos
concéntricos de cobre. El agua caliente circula por el tubo interior, que tiene un diámetro interno de 10 cm
y un espesor de pared de 1,5 mm. El tubo externo tiene un diámetro interior de 17 cm. Calcular:
a) Coeficiente global de transmisión de calor (U´).
b) Longitud del cambiador.
Datos: h´ = 9.260 W/(m2.K) ; h” = 7.240 W/(m2.K) ; kcobre = 380 W/(m.K)
Sol.: a) 4065 W/m2K; b) 31,15 m.
8.-
Un condensador consta de un haz de 18 tubos horizontales con un espesor de 0,125 cm, diámetro interno
de 2,32 cm y diámetro medio de 2,44 cm. La conductividad térmica del material de tubo es k = 90 kcal/
m.h.ºC. En dicho equipo se condensa vapor de agua a 100ºC sobre la superficie externa de los tubos,
mientras que por el interior de los tubos se introduce agua a 27ºC con un caudal de 1.250 kg/h por cada
tubo. El coeficiente individual de transmisión de calor del lado del vapor es hv = 9.720 kcal/h.m2.ºC, el del
lado del agua fría es ha = 8.748 kcal/h.m2.ºC, y los depósitos que se forman en ambas superficies tienen un
coeficiente de transmisión idéntico hd = 9.720 kcal/h.m2.ºC. Calcúlese:
a) El coeficiente global de transmisión de calor.
b) El calor transmitido por unidad de tiempo y tubo si éstos tienen 3 m de longitud.
Sol.: a) 2289 kcal/m2.h.ºC; b) 31375 kcal/h
9.-
En un cambiador de calor multitubular se enfría un hidrocarburo desde 70 a 25ºC empleando para ello
agua que se alimenta a 10ºC. El cambiador consta de 30 tubos de acero de 2 cm de diámetro interno y 5 m
de longitud, con 1 mm de espesor, por los que circula el hidrocarburo a una velocidad de 0,3 m/s. El caudal
másico de agua es un 60% del de hidrocarburo. Determínese:
a) El valor del coeficiente global de transmisión de calor.
b) El valor de los coeficientes individuales de transmisión de calor para ambos fluidos, suponiendo que
son iguales.
Datos: Cphidrocarburo = 0,45 kcal/kg.ºC; Cpagua = 1 kcal/kg.ºC; hidrocarburo = 850 kg/m3;
kacero = 40 kcal/h.m.ºC.
Sol.: a) 880,46 kcal/hm2ºC; b) 1804 kcal/m2hºC