Examen Ii-2016 Coveccion.pdf

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA ING. QUIMICA AMBIENTAL Y DE ALIMENTOS SEMESTRE II/2016

Inicial Ap. Paterno

SEGUNDO EXAMEN DE OPERACIONES UNITARIAS II (PRQ-502)

APELLIDOS

NOMBRES

CARRERA

SOLUCION 1) Se tiene un tanque de agua caliente de 50 cm de diámetro y 95 cm de largo, el cual está colocado sobre el techo

de una casa. El agua que se encuentra en su interior se calienta durante el día hasta 80 oC mediante un colector solar de placa plana. Entonces durante la noche el tanque se expone al viento con una temperatura del aire de 18 oC y una velocidad promedio de 40 km/h. Estime la temperatura del tanque después de un periodo de 45 min. Suponga que la superficie del tanque está a la misma temperatura que el agua que se encuentra en su interior y que el coeficiente de transferencia de calor sobre las superficies superior e inferior es igual al correspondiente a la superficie lateral. Propiedades Las propiedades del agua a 80C   971.8 kg/m 3

Water tank

C p  4197 J/kg. C Las propiedades del aire a 1 atm y suponiendo una temperatura de film de 50C k  0.02735 W/m. C

D =50 cm L = 95 cm

  1.798  10 -5 m 2 /s Pr  0.7228

Air

Analisis

 40  1000  m/s (0.50 m)  V D 3600  Re      309,015  1.798  10 5 m 2 /s

V =40 km/h T = 18C

El numero de Nusselt es 5/8 0.62 Re 0.5 Pr 1 / 3   Re    Nu  0.3  1       1/ 4   282,000   1  0.4 / Pr 2 / 3



4/5



5/8 0.62(309,015) 0.5 (0.7228 )1 / 3   309,015     0.3  1       1/ 4   282,000   1  0.4 / 0.7228 2 / 3





4/5

 484 .9

El coeficiente convective de transferencia de calor k 0.02735 W/m. C h  Nu  (484.9)  26.53 W/m 2 .C D 0.50 m El area supeficial del tanque

D2   (0.5)(0.95)  2 (0.5) 2 / 4  1.885 m 2 4 El velocidad de transferencia de calor  80  T2  Q  hAs (Ts  T )  (26.53 W/m 2 .C)(1.885 m 2 )  18 C  2  As  DL  2

(Eq. 1)

Donde T2 es la temperatura final del agua (80+T2)/2 se obtiene la temperatura promedio del agua durante el proceso de enfriamiento

m  V  

D2 L  (971.8 kg/m 3 )(0.50 m) 2 (0.95 m)/4  181.27 kg 4

Q  mC p (T2  T1 )  (181.27 kg)(4197 J/kg. C)(80 - T2 )C

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La velocidad promedio de transferencia de calor es Q (181.27 kg)(4197 J/kg.C)(80 - T2 )C Q   t 45  60 s

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(Eq. 2)

Con ecu 1 y ecu. 2 se obtiene la temepratura final del agua (181.27 kg)(4197 J/kg. C)(80 - T2 )C  80  T2  Q  (26.53 W/m 2 .C)(1.885 m 2 )  18 C  45  60 s  2 

  T2  69.9C

2) Se tiene una corriente de gas natural a 30 bar de presión y 20 oC, que se debe expandir hasta una presión aproximadamente la atmosférica. Puesto que la expansión del gas en una válvula genera un enfriamiento por efecto Joule Thompson, se debe precalentar la corriente a fin de no tener temperaturas muy bajas que puedan ocasionar condensaciones de la humedad ambiente en la parte externa de las cañerías, para ello se debe precalentar el gas antes de la expansión y se ha calculado que es necesaria una temperatura de 40 oC. , el calentamiento se efectura en un calentador indirecto. Se trata de un equipo en el que por un serpentín circula el gas esta sumergido en un baño de agua caliente. A fin de hacer una primera estimación del tamaño se supondrá que se puede regular la temperatura del agua de tal modo que se encuentre a 60 oC., el serpentín se construirá con tubería de 2 pulgadas cedula 40, el caudal del gas es de 2235 kg/h. Determinar: a) La longitud del tubo necesaria y cuál será la caída de presión b) Cuál será la temperatura de salida si el caudal del se duplica y se reduce a la mitad Temperatura (oC) Viscosidad(cp) Conductividad Térmica Calor especifico J/kg K Densidad kg/m3

30 0,0119 0,0355 2381 23,367

60 0,0134

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3.- (30 Puntos) Se va a enfriar aire en la sección del evaporador de un refrigerador, al pasarlo sobre un banco de tubos de 0.8 cm de diámetro exterior y 0.4 m de largo en el interior, de los cuales se evapora el refrigerante a –20°C. El aire se aproxima al banco en la dirección perpendicular a 0°C y 1 atm, con una velocidad media de 4 m/s. Los tubos se encuentran dispuestos en forma alineada con pasos longitudinal y transversal de SL= ST= 1.5 cm. Se tienen 30 filas en la dirección del flujo con 15 tubos en cada una de ellas. Determine:

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En las plantas de procesamiento de petróleo, a menudo es necesario bombear líquidos altamente viscosos como el asfalto a través de tuberías. Para mantener los costos de bombeo razonables, las tuberías se calientan eléctricamente para reducir la viscosidad del asfalto. Considere una tubería no aislada de 15 cm de diámetro y una temperatura ambiente de 20 oC. ¿Cuánta potencia por metro de longitud de tubería es necesaria para mantener la tubería a 50 oC? Si la tubería está aislada con 5 cm de aislamiento de fibra de vidrio, ¿cuál es el requerimiento de energía?

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An architect is asked to determine the heat loss through a wall of a building constructed as shown in the sketch. The space between the walls is 10 cm and contains air. If the inner surface is at 20°C, and the outer surface is at -8 oC, (a) estimate the heat loss by natural convection. Then determine the effect of placing a baffle (b) horizontally at the midheight of the vertical section, (c) vertically at the center of the horizontal section, and (d) vertically halfway between the two surfaces. Se pide a un arquitecto que determine la pérdida de calor a través de una pared de un edificio construido como se muestra en el croquis. El espacio entre las paredes es de 10 cm y contiene aire. Si la superficie interior está a 20 ° C, y la superficie exterior está a -8 ° C, (a) estimar la pérdida de calor por convección natural. A continuación, determine el efecto de colocar un deflector (b) horizontalmente en la mitad de la sección vertical, (c) verticalmente en el centro de la sección horizontal y (d) verticalmente a medio camino entre las dos superficies.

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