universidad nacional del santa escuela academico profesional

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
DE INGENIERIA EN ENERGIA
PROBLEMAS : TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA
1.-
En una fábrica de cerveza, cierto proceso de lavado de botellas requiere agua limpia a 80ºC.; el agua
del lavado se vierte por el desagüe a 75ºC. Actualmente se usa un calentador eléctrico para calentar
el agua de alimentación cuya temperatura es de 20ºC y el suministro de agua requerido es de 12000
kg / hr, 8 h / dia, 300 dias / año. El costo de la electricidad es de 11 centavos / kW.hr. Con objeto de
ahorrar energía, se propuso instalar un intercambiador de calor en contracorriente para precalentar el
agua que alimenta al calentador eléctrico. Se prevé que el costo de la unidad será de $ 35000 más $
1800 por metro cuadrado de la superficie del intercambiador. La tasa de interés para amortizar la
inversión en un plazo de 15 años es del 9% anual. Se espera que los impuestos y seguros tengan un
costo fijo de $ 1100/año más $ 70 / año por metro cuadrado de la superficie del intercambiador.
Puede suponerse que el coeficiente global de transferencia de calor es de 1200 W / m² K.
¿ Que valor tendrá el área óptima de transferencia de calor del intercambiador y cuál será el ahorro
neto anual correspondiente ?
2.-
Calcular la temperatura media logarítmica en el siguiente sistema :
a) en contracorriente
b) en paralelo
3.-
Un aceite crudo de 20 ºAPI se enfría de 300ºF a 200ºF , calentando gasolina fría de 60 ºAPI de 80ºF
a 120ºF, en un aparato en contracorriente. ¿ A que temperatura del fluido debe ser evaluado los
coeficientes individuales de transferencia de calor ?
4.-
Calcular el calor vertido por pie lineal en una tubería de acero de 3” de diámetro nominal cat. 40,
cubierto con un aislante de asbesto de ½” de espesor. La tubería transporta un fluido a 300ºF, un h
individual interior por unidad de superficie de 40 Btu / hr. ft².ºF y está expuesto al aire del medio
ambiente a 80ºF con un coeficiente individual de transferencia de calor exterior promedio por unidad
de superficie de 4 Btu / hr. ft².ºF
5.-
Se desea calentar 13400 lb / hr de un aceite hidrocarbonato desde 80ºF hasta 217ºF, mientras fluye a
través de una tubería de acero de 2” estándar colocado horizontalmente, el cual se calienta
externamente por medio de vapor de agua saturado y seco que condensa a 227ºF. Calcular la
longitud del tubo recorrido.
Cp del aceite = 0,47 Btu / lb ºF ; el coeficiente global de transmisión de calor basado en la superficie
interna es la siguiente :
6.-
Temperatura, ºF
80
95
110
130
160
190
217
Coeficiente global, U
29,5
38
47
56,5
70
81,5
91,7
5 kg / seg de un hidrocarburo de petróleo de calor específico 2,20 kJ / kg K, está siendo calentado de
10ºC a 76ºC en un cambiador de calor de tubos concéntricos en una operación en contracorriente con
un U = 290 W / m² K; agua ( Cp = 4,187 kJ / kg K ) es disponible a 90ºC y a una velocidad másica
de 3 kg / seg. Calcular el área necesaria para la transferencia de calor.
7.-
10000 lb / hr de gasolina de 57 ºAPI es enfriado desde 150ºF a 130ºF calentando kerosene de 42
ºAPI de 70ºF a 100ºF; la caida de presión permisible es de 10 psi con un factor de ensuciamiento
mínimo de 0,004.
a).¿ Cuántas tuberías de acero comercial cat. 40 de 2 ½” x 1 ¼” y de 20 ft de longitud en forma
de U son necesarios ?
b).¿ Cuál es el factor de ensuciamiento final ?.
8.-
13000 lb / hr de gas oil de 26 ºAPI se enfría de 450ºF a 350ºF calentando gasolina de 57 ºAPI bajo
presión de 220ºF a 230ºF en tantas horquillas de 3” x 2” IPS de doble tubo de 20 ft de longitud como
sean requeridos. Se permiten caídas de presión de 10 lbf / in² con un factor de obstrucción mínimo de
0,004.
a).¿ Cuántas horquillas se requieren ?
b).¿ Cómo deben arreglarse ?
c).¿ Cuál es el factor final de obstrucción ?
9.-
En una instalación es necesario precalentar 149000 lb / hr de petróleo crudo de 34 ºAPI de 170ºF a
285ºF correspondiente al plato de alimentación de una torre de fraccionamiento. Hay una línea de
gas oil de 33 ºAPI que pasa cerca de la torre a 530ºF disponible en cantidades relativamente
ilimitadas; debido a que el coste de bombeo de gas oil frío es prohibitivo, la temperatura de gas oil
del intercambiador de regreso a la línea no deberá ser menor de 300ºF; se dispone de un
intercambiador de calor 1-2 de 25” de diámetro interior con 252 tubos de 1” de diámetro exterior, 13
BWG y 16 ft de largo, arreglados en los pasos en disposición triangular de ¼” pitch, los deflectores
de la coraza están espaciados a 5” de los centros. Se permite una caída de presión de 10 psi en el gas
oil y de 15 psi en la línea de alimentación. ¿ Será el intercambiador aceptable si se limpia ?. y si es
así, ¿ Cuál será el factor de ensuciamiento ?.
Para el gas oil las viscosidades son 0,4 cp a 530ºF y 0,7 cp a 300ºF.
Para el crudo las viscosidades son 0,9 cp a 285ºF y 2,1 cp a 170ºF
10.-
96000 lb / hr de aceite de absorción de 35 ºAPI se enfrían de 400ºF a 200ºF y se usan para calentar
un destilado de 35 ºAPI de 100ºF a 200ºF; se dispone para este servicio de un intercambiador 1-2 de
29 inch de diámetro con 338 tubos de 1” DE, 14 BWG y 16 ft en arreglo triangular de 1 ¼ ” de paso.
Los deflectores están espaciados a 10 inch, el haz de tubos se arregla para 4 pasos. ¿ Que arreglo dan
las caídas de presión más balanceadas y cual es el factor de obstrucción ?
La viscosidad del aceite de absorción es 2,6 cp a 100ºF y 1,15 cp a 210ºF
La viscosidad del destilado es 3,1 cp a 100ºF y 1,3 cp a 210ºF
11.-
300000 lb / hr de aceite de petróleo de 35 ºAPI está siendo calentado de 70ºF a 136ºF con
intercambio de calor con un producto de cola de 28 ºAPI procedente de una columna de
fraccionamiento; 257500 lb / hr del producto de cola está siendo enfriado de 295ºF a 225ºF; para este
servicio se dispone de un intercambiador de calor 1-2 con diámetro interno de la coraza de23 ¼”, con
un paso del lado de la coraza y dos pasos del lado de los tubos; tiene 324 tubos de ¾” de diámetro
externo, de 14 BWG y 12 ft de longitud, dispuestos en una ordenación cuadrada de 1” y están
sostenidos por placas deflectoras separadas con intervalo de 9”. Este intercambiador de calor ¿ Será
conveniente para el servicio propuesto ?.
12.-
33114 lb / hr de alcohol n-butílico a 210ºF deben enfriarse a 105 ºF usando agua de 95ºF a 115ºF. Se
dispone para este propósito de un intercambiador de dos pasos en la coraza de 19 ¼” DI con 204
tubos de ¾” DE de 16 BWG, 16 ft de largo, en arreglo en cuadrado de 1 inch de paso distribuidos
para 4 pasos. Los deflectores con corte vertical están espaciados a 5 inch. Se permiten caídas de
presión de 10 lbf / in². ¿ Cuál es el factor de obstrucción ?.