4 Intercambiadores de Calor

VIDEOTUTORIALES

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1. Coeficiente de transferencia de calor total de un intercambiador de calor

Se va a enfriar aceite caliente en un intercambiador de calor de doble tubo, a
contraflujo. El tubo interior de cobre tiene un diámetro de 2 cm y un espesor
despreciable. El diámetro interior del tubo exterior (la coraza) es de 3 cm. Por
el tubo fluye agua a razón de 0.5 kg/s y el aceite por espacio anular a razón de 0.8 kg/s. Tomando las temperaturas promedio del agua y del aceite como 45°C y 80°C, respectivamente, determine:

a) El coeficiente total de transferencia de calor de este intercambiador.

Respuestas: a) 74.43 W/m2 · ºC

2. Efecto de la incrustación sobre el coeficiente de transferencia de calor total

Se construye un intercambiador de calor de doble tubo (casco y tubo) con un
tubo interior de acero inoxidable (k = 15.1 W/m · °C), de diámetro interior
Di = 1.5 cm y diámetro exterior Do = 1.9 cm, y un casco exterior cuyo diámetro interior es de 3.2 cm. El coeficiente de transferencia de calor por convección es hi = 800 W/m2 · °C, sobre la superficie interior del tubo, y ho = 1200 W/m2 · °C, sobre la superficie exterior. Para un factor de incrustación de Rf,i = 0.0004 m2 · °C/W, del lado del tubo, y Rf,o = 0.0001 m2 · °C/W, del lado del casco, determine:

a) La resistencia térmica del intercambiador de calor por unidad de longitud

b) Los coeficientes de transferencia de calor totales Ui y Uo con base en las áreas superficiales interior y exterior del tubo, respectivamente.

Respuestas: a) 0.05314 C/W,  b) Ui= 399.32 W/m2·ºC y Uo= 315.25 W/m2·ºC

3. La condensación de vapor de agua en un condensador

Se va a condensar vapor de agua de una planta generadora a una temperatura de 30°C, con agua de enfriamiento de un lago cercano, la cual entra en los tubos del condensador a 14°C y sale a 22°C. El área superficial de los tubos es de 45 m2 y el coeficiente de transferencia de calor total es de 2100 W/m2·°C. Determine:

a) El gasto de masa necesario de agua de enfriamiento.

b) La razón de la condensación del vapor en el condensador.

Respuestas: a) 32.58 kg/s, b) 0.4486 kg/s

4. Calentamiento de agua en un intercambiador de calor a contraflujo

Se va a calentar agua en un intercambiador de tubo doble a contraflujo, desde 20°C hasta 80°C, a razón de 1.2 kg/s. El calentamiento se va a realizar por medio de agua geotérmica de la que se dispone a 160°C con un gasto de masa de 2 kg/s. El tubo interior es de pared delgada y tiene un diámetro de 1.5 cm.
Si el coeficiente de transferencia de calor total del intercambiador es de 640 W/m2 · °C, determine:

a) La longitud requerida de ese intercambiador para lograr el calentamiento deseado.

Respuestas: a) 108.52 m

5. Calentamiento de glicerina en un intercambiador de calor de pasos múltiples

Se usa un intercambiador de calor de dos pasos por la coraza y cuatro pasos por los tubos para calentar glicerina desde 20°C hasta 50°C por medio de agua caliente, la cual entra en los tubos de pared delgada de 2 cm de diámetro a 80°C y sale a 40°C. La longitud total de los tubos en el intercambiador es de 60 m. El coeficiente de transferencia de calor por convección es de 25 W/m2 · °C del lado de la glicerina (coraza) y de 160 W/m2 · °C del lado del agua (haz de tubos). Determine la velocidad de la transferencia de calor en el intercambiador:

a) Antes de que se tenga incrustación.

b) Después de que se presenta ésta sobre las superficies exteriores de los tubos, con un factor de incrustación de 0.0006 m2 · °C/W.

Respuestas: a) 1829.39 W, b) 1805.96 W

6. Enfriamiento de un radiador automotor

Se conduce una prueba para determinar el coeficiente total de transferencia de calor en un radiador automotor, el cual es un intercambiador compacto de agua hacia aire y de flujo cruzado, en donde los dos fluidos (el aire y el agua) no se mezclan. El radiador tiene 40 tubos con diámetro interno de 0.5 cm y longitud de 65 cm, en una matriz de aletas de placa con muy poco espacio entre sí. El agua caliente entra en los tubos a 90°C, a razón de 0.6 kg/s, y sale a 65°C. El aire fluye a través del radiador por los espacios entre las aletas y se calienta desde 20°C hasta 40°C. Determine: a) El coeficiente de transferencia de calor total Ui de este radiador con base en el área de la superficie interior de los tubos. Respuestas: a) 3347.08 W/m2·ºC

7. Límite superior para la transferencia de calor en un intercambiador de calor

Entra agua fría en un intercambiador de calor a contraflujo a 10°C, a razón de 8 kg/s, en donde se calienta por medio de una corriente de agua caliente que entra en el intercambiador a 70°C, a razón de 2 kg/s. Suponiendo que el calor específico del agua permanece constante a cp = 4.18 kJ/kg · °C, determine:

a) La razón de la transferencia de calor máxima.

b) Las temperaturas de salida de las corrientes de agua fría y caliente para este caso límite.

Respuestas: a) 501.72 kW, b) 25 ºC (Fría) y 10 ºC (Caliente)

8. Efectividad del método de las unidades de transferencia (NTU)

Un intercambiador de calor de doble tubo a contra flujo va a calentar agua de 20°C a 80°C a una velocidad de 1.2 kg/s. El calentamiento se llevará a cabo mediante agua geotérmica disponible a 160°C a una razón de flujo de masa de 2 kg/s. El tubo interno tiene paredes delgadas y un diámetro de 1.5 cm. El coeficiente de transferencia de calor general del intercambiador de calor es de 640 W/m2 · K. Mediante la eficiencia del método NTU determine: a) La longitud del intercambiador de calor necesaria para lograr el calentamiento deseado. Respuestas: a) 108.49 m

9. Enfriamiento de aceite caliente por agua en un intercambiador de calor de pasos múltiples

Se va a enfriar aceite caliente por medio de agua en un intercambiador de calor de un paso por el casco y 8 pasos por los tubos. Los tubos son de pared delgada y están hechos de cobre con un diámetro interno de 1.4 cm. La longitud de cada paso por los tubos en el intercambiador es de 5 m y el coeficientede transferencia de calor total es de 310 W/m2 · °C. Por los tubos fluye agua a razón de 0.2 kg/s y por el casco el aceite a razón de 0.3 kg/s. El agua y el aceite entran a las emperaturas de 20°C y 150°C, respectivamente. Determine:

a) La razón de la transferencia de calor en el intercambiador

b) Las temperaturas de salida del agua.

b) Las temperaturas de salida del aceite.

Respuestas: a) 38,380 kW, b) 65.9, c) 89.9 ºC

10. Intercambiadores de calor. Comparación método LMTD y NTU

Se vaporiza etanol a 78°C (hfg = 846 kJ/kg) en un intercambiador de tubo doble y flujo paralelo, a razón de 0.04 kg/s, por medio de aceite caliente (cp = 2 200 J/kg · °C) que entra a 115°C. Si el área superficial de transferencia de calor y el coeficiente de transferencia de calor total son de 6.2 m2 y 320 W/m2 · °C, respectivamente, determine la temperatura de salida y el gasto de masa del aceite aplicando:

a) El método de la LMTD

b) El método de la e-NTU.

Respuestas: a) 33,840 W, y 84.02 ºC, b) 33,840 W, y 84.02 ºC

11. Intercambiador de calor de flujo cruzado, con ambos fluidos mezclados

Un intercambiador de calor de flujos cruzados, con ambos fluidos con mezcla, tiene una superficie de intercambio A de 8.4 m2. Los fluidos que se utilizan son los siguientes:
Aire, con cp = 1005 J/kg·ºC.
Agua, con cp = 4180 J/kg·ºC.
El aire entra en el intercambiador a 15ºC, a razón de 2 kg/s. El agua entra a 90ºC, a razón de 0.25 kg/s.
El coeficiente global de transferencia de calor es de 250 W/m2·ºC

Determinar:

a) Las temperaturas de salida de ambos fluidos.

b) El calor intercambiado


Respuestas: a) 41.7 ºC (aire), y 38.6 ºC (agua) b) 53,710 kW

Referencias

Cengel, Y. A,  y Ghajar, A. J. (2011). Transferencia de calor y masa. Fundamentos y Aplicaciones.  McGraw Hill, 4ta edición.

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