Seminarios TEM 2011 9 SEMINARIO 5 BALANCE

SEMINARIO 5
BALANCE MACROSCÓPICO DE ENERGÍA TÉRMICA
Problema 1: Por un tubo de cobre de 2.5 cm de diámetro interno y 6 m de longitud
circulan 45 kg/h de un fluido a 38 °C. Debido a la condensación de vapor de agua
sobre la superficie externa del tubo, la superficie interna del mismo se mantiene a
102°C. Calcular la temperatura del fluido a la salida del tubo.
Propiedades del fluido
Viscosidad, cp
Densidad, kg/m3
Calor específico, kJ/(kg °C)
Conductividad térmica, W/(m °C)
0.587
881
2.05
0.143
Problema 2: Un aceite fluye a través del tubo de un intercambiador de tubo y camisa
con un caudal másico de 0.189 kg/s. El aceite es enfriado con agua que circula por la
camisa, a contracorriente. El caudal másico de agua es 0.151 kg/s. El aceite ingresa al
intercambiador a 150 ºC y se desea enfriarlo hasta 70 ºC; el agua se encuentra a 10
ºC. ¿Qué longitud deberá tener el intercambiador? Compare este valor con la longitud
del tubo requerida si ambas corrientes fluyen en el mismo sentido (co-corriente).
Datos:
Di (tubo) = 12.7 mm
De (tubo)= 13.5 mm
Cp (aceite) = 2.18 kJ/(kg K); k (aceite) = 0.08 W/(m K); μ (aceite) = 2.4 cp
h (agua) = 5670 W/(m2 K)
Cp (agua) = 4.19 kJ/(kg K)
Nota: Desprecie la resistencia de las paredes del tubo.
Problema 3: Se debe enfriar una corriente de 0.5 kg/s de un aceite lubricante liviano,
de 102 a 55 ºC. Para ello se dispone de un caudal de 0.2 kg/s de agua de
enfriamiento, a 8 ºC. La operación se llevará a cabo en un intercambiador de tubo y
camisa, a contracorriente, con el aceite circulando por el tubo interior.
a) Determinar el área de intercambio y la longitud de tubo necesarias para lograr el
efecto deseado.
b) Debido a un desperfecto mecánico el caudal de agua disponible se reduce a la
mitad. ¿Será posible en esas condiciones realizar el intercambio térmico deseado,
utilizando el mismo equipo? En caso negativo, evalúe las condiciones de intercambio
del equipo, calculando los nuevos valores de temperatura de salida de ambas
corrientes (Obs: el coeficiente de transferencia de calor interno no varía).
Datos:
Propiedad
Aceite
Agua
865
1000
Densidad, kg/m3
3.72 × 10-3
1 × 10-3
Viscosidad, Pa s
2090
4177
Calor específico, J/(kg ºC)
Conductividad térmica, W/(m ºC)
0.128
0.522
Diámetro interno del tubo: 2.09 cm
Diámetro externo del tubo: 2.67 cm
Diámetro interno de la camisa: 4 cm
Problema 4: Se desea condensar vapor (a 373 K y 1 atm) utilizando un
intercambiador existente en planta de 20 m2 de área. Esta operación será
aprovechada para calentar la alimentación a otro proceso (mezcla de reacción), que se
encuentra a 313 K con un caudal de 0.917 kg/s.
a) Estimar la cantidad de condensado y la temperatura de salida de la mezcla de
reacción si el coeficiente global de transferencia U vale 125 W/(m2 K).
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b) Si por una modificación del intercambiador (uso de superficies extendidas) se logra
duplicar el coeficiente de transferencia U sin modificar el caudal de la mezcla,
¿aumentará el caudal de condensado en la misma proporción?
Datos:
ΔHvap (373 K, 1 atm) = 2257 kJ/kg
Cp, mezcla = 4 kJ/kg
Problema 5: Se desea calentar el agua contenida en un tanque cilíndrico de 20 a 70
ºC, mediante un serpentín de 0.8 m2 de superficie por el que circula un fluido a 100 ºC.
Considere mezclado perfecto dentro del tanque de tal manera que su temperatura es
uniforme. Calcule el tiempo necesario para lograr el calentamiento deseado.
Datos:
Coeficiente global U (agua-serpentín) = 1700 kcal/(h m2 ºC)
Coeficiente global U (tanque-ambiente) = 26.3 kcal/(h m2 ºC)
T ambiente = 20 ºC
Dimensiones del tanque: Diámetro = Altura = 1 m.
Esquema de tanque con serpentín (izq.) y equipo correspondiente (der.).
Problema 6: Un tanque de 1 litro de capacidad contiene inicialmente 200 ml de agua a
100 °C y se llena con una corriente de 2.5 ml/min de agua a 20 °C. Hallar las
expresiones de:
a) La variación de la temperatura con el tiempo
b) La temperatura final del agua al cabo de 2 horas de llenado.
Considerar que el mezclado es perfecto y que el tanque es adiabático.
Datos del agua: ρ = 1 g/cm3; Cp = 1 cal/(g ºC)
2.5 ml/min
20 ºC
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