Practicas De Transferencia De Calor Y Masa 2018 B.pdf

Practica Nro4 de Transferencia de Calor y Masa Apellidos y Nombres: Código del Alumno: Nota: la Practica Calificada Consta de 2 partes teórica y Problemas Aplicativos. TEORIA: Puntaje (10 puntos Sobre 20 Preguntas) Contestar brevemente y en forma concreta con Criterio, cada pregunta tiene un puntaje de 0.40 punto. 1) Defina la transferencia de calor por convección. 2) De acuerdo al movimiento del fluido la transferencia de calor puede ser por 2 formas, defina. 3) Defina el concepto de la capa frontera. 4) Para el cálculo de los coeficientes de transferencia de calor, mencionar solo los 4 coeficientes. 5) Defina el Análisis Aproximado de la Capa Frontera. 6) Defina Intercambiador de Calor, Vaporizador, Condensador. 7) Defina Rehervidor, Enfriador, Calentador. 8) Defina intercambiadores de Doble tubo. 9) Defina intercambiadores de Coraza y tubo. 10) Defina intercambiador tipo cascada. 11) Cuales son las Condiciones necearías para una correcta selección de un intercambiador de Calor. 12) Menciones los principales Números adimensionales. 13) En la Transferencia de Calor por Convención Cuales son los Números y Constantes más utilizadas Mencionarlos. 14) Justifique la Formula de la Media Logarítmica LMTD 15) Que se puede decir referente al Factor de Rugosidad (Fr), Justificar su Uso. 16) Cual es la Diferencia entre Flujo Contracorriente y Corriente paralela. 17) A que se Denomina Diámetro Equivalente en un proceso de Convección. 18) Explicar el Concepto de Radiacion. 19) Cual es el concepto de cuerpo Negro. 20) Que es la Emicividad. 21) a que se llama un cuerpo Gris. 4 22) Referente a la Formula de Radiacion : ƥT , explicar cada uno de los elementos de la formula y de su valor o concepto. 23) Como logro aumentar el Área de Transferencia de Calor, Explique. 24) Mencione las Ventajas de un intercambiador de Calor Compacto. 25) Explique a su criterio cual es lo mas resaltante en un intercambiador de calor para que sea altamente Eficiente. PROBLEMA: 1) Se Compra un Economizador para una planta de potencia , la unidad es lo bastante grande para calentar 60,000 Lbs/hr de gases de escape ( CS = 0,24 Btu/Lb.F ) , disponible a 800 F , de igual forma el coeficiente global de transferencia de calor U = 10 Btu/hr.pie2.F , y la temperatura del agua es de 300F. a) Calcular : la temperatura de Salida de los gases de escape , primero en contraflujo y luego en flujo paralelo. b) Calcular el Área de Transferencia de Calor. 2) Un Intercambiador de calor de flujo cruzado , con ambos fluidos sin mezclar tiene una superficie de intercambio de 8,4 m2 , siendo los fluidos agua y aire. Cp Aire = 1,005 KJ/kg.C ; Cp Agua = 4,180 Kj/kg.C , El aire ingresa al intercambiador a 15C , a razón de 2 Kg/ Seg , el agua entre 90C a razón de

Ing. Jorge Valencia J. FIME/ Julio 2018

0,25 Kg/Seg el coeficiente global de transferencia de calor es de 350 W/m2.C. 1. Calcular la temperatura de Salida de ambos gases. 2. Calcular el Calor de Intercambio. 3) Un Intercambiador de calor de flujo cruzado , con ambos fluidos sin mezclar tiene una superficie de intercambio de 12,4 m2 , siendo los fluidos agua y aire. Cp Aire = 1,005 Kj/kg.C ; Cp Agua = 4,180 Kj/kg.C , El aire ingresa al intercambiador a 20C , a razón de 4 Kg/ Seg , el agua entra a 90C a razón de 0,25 Kg/Seg el coeficiente global de transferencia de calor es de 250 W/m2.C. 3. Calcular la temperatura de Salida de ambos gases. 4. Calcular el Calor de Intercambio. 4) El Instituto peruano del deporte encargaa un ingeniero de la fime – energía –unac el calcular el área de transferencia de calor del serpentín de cobre a utilizar en el intercambiador de calor para su piscina del campo de Marte para lo cual se tienen los siguientesdatos: elvolumendeaguaacalentarsonde:2300m3en un tiempo de 10 hrs( flujo de : 230 m3/hr) , el intercambiador será calentado por el interior del serpentín de cobre por agua caliente que proviene de los calentadores de agua a carbón teniendo un agua de alimentación de : Tai= 70C , y tentativamente Tas= 50C , de igual forma el agua que proviene de la piscina tendrá las siguientes condiciones : Tpi= 25C y Tps= 35C , si se sabe que el coeficiente de transferencia del Cobre (Coeficiente Global de transferencia U=75 Btu/pie2.hr.F). Nota:deigualformasieldiámetrointeriordeltuboesde3/8“calcularcuántostubos de 6mts seránutilizados. 5) El Instituto peruano del deporte encargaa un ingeniero de la fime – energía –unac el calcular el área de transferencia de calor del serpentín de cobre a utilizar en el intercambiador de calor para su piscina del campo de Marte para lo cual se tienen los siguientesdatos: elvolumendeaguaacalentarsonde:5300m3en un tiempo de 10 hrs( flujo de : 300 m3/hr) , el intercambiador será calentado por el interior del serpentín de cobre por agua caliente que proviene de los calentadores de agua a carbón teniendo un agua de alimentación de : Tai= 70C , y tentativamente Tas= 50C , de igual forma el agua que proviene de la piscina tendrá las siguientes condiciones : Tpi= 23C y Tps= 37C , si se sabe que el coeficiente de transferencia del Cobre (Coeficiente Global de transferencia U=75 Btu/pie2.hr.F). Nota:deigualformasieldiámetrointeriordeltuboesde 1“calcularcuántostubos de 6mts serán utilizados.

6)

¿Cuál es el coeficiente de transferencia de calor? Y ¿Cuál es el calor Liberado? Durante el flujo de aceite en el interior de un tubo de 8mm de diámetro interior y 1 mt de longitud , si la temperatura media del aceite es de 80C y la pared del tubo está a 20C , siendo la velocidad del aceite de 0.6 m/s. la viscosidad cinemática del aceite a 80C es de ( ŷ = 3,66 x 10 -6 m2/seg), la densidad es de 844 kg/m3 , Cp = 1,846 KJ/Kg.C ; K = 0.108 W/m.C.

Nota : Pr se tiene que Calcular. ( Nu = 4,82 + 0,0185 Pr Nota : Q = hc. A (tm –tp).

7)

0.827 )

¿Cuál es la cantidad de calor que se transfiere al aire? Que circula a una velocidad de 5 mts/Seg , sobre una superficie caliente que está a 100C, cuando el aire está a 27C y a 1 atm , la superficie tiene 1 mt de longitud y 1 mt de ancho. 1/3 0.8 Datos : Pr = 0.71 ; ( Nu = 0,036 Pr . Re ) ; K = 0,0265 ( Esta en Unidades del Sistema Internacional). Re = ( p.V.L) / U U = 19.123 x 10 -6

Puntajes : Problema 1 : Problema 2 : Problema 3 : Problema 4 : Problema 5 : Problema 6 : Problema 7 :

1.5 puntos 1.5 puntos 1.5 puntos 2.0 puntos 2.0 puntos 0.75 puntos 0.75 puntos

Ing. Jorge Valencia J. FIME/ Julio 2018

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P ra c tic a N ro 3 d e T r a n s f e r e n c i a d e C a lo r y M a s a A pfflldm i Nombre*: Código d d Alumno: N otoi:laP r»ctícaC «liflcadií O m aladcZ pnrtw tpÓ ricayP robU inasA pllcatívfft. TEORIA Puntaje (10 puntos Sobre 10 P egu ntas) Contestarbrevemente y a , fcwtna concreta con Criterio, o d a pregunta tiene un puntaje d e 1.00 punto ^ D e f i n a la transferencia d e calor por convección. '/ í ) D c acuerdo al m ovim iento de! fluido la transferencia de calor puede: iser por 2 formas, delina. *' / í Defina el con cep to d e la capa frontefa ‘' / f r * * * cI ciIcu l° d c 105 coeficien tes d'c transferencia d e calor, mencionar solo lo s 4 coeficientes Defina el A n á lisis A proxim ado d e la Capa Frontera.

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PR O F L E M A : 1)

S e C om pra un E conom izador para una planta dc potencia , la unidad e s ¡o bastante grande para calentar 6 0 ,0 0 0 IJK'hr d e g ases d c escape ( CS - 0,24 Btu/1,b.F ) . disponible a 8 0 0 F . d e igual ferm a e l co cficieu te global d c transferencia dc calor U - 10 Btu'hr.pic2.F . y la temperatura del agua e s d e 300F .

a)

C alcular : la tcmi>cratura d c Salida d c lo s gases d c escape , primero en contraflujo y lu ego en flujo paralelo.

b)

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2 ) l U n Intcrcam biador d c calor d c llu jo cruzado , co n am bos fluidos sin mezclar tiene una superficie dc intercam bio d e 8 .4 m 2 , s ic r /.o lo s flu id os agua y aire. Cp A ire - 1:C05 K J .lg .C ; Cp A gua - 4 ,1 8 0

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3)

1.

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2.

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C alcu lar la temperatura d c S alid a d c am bos gases.

4.

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Ing. Jorge Valencia J. FIM ES Octubre 2013

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¿Cuál es la cantidad de calor que #e transfiere al aire? Que circula a una velocidad de 5 mls-Scg . nobre una jupcrficic caliente que está a 10ÜC. cuando d aire ts lá a 27p y a 1 atra , b superficie tiene 1 ral de longitud y 1 mt de ancho. 1/3 0.8 Datos : P r * 0.71 ; ( N u » 0,036 Pr . Re ) ; K - 0.0265 ( Esta en U nidades d d Sistema Internacional).

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R e = ( p .V .L ) /U 19.123 x 1 0 -6

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Puntajes Problema 1 : Problema 2 : Problema 3 : PrcW em a4: Problema 5 : Problema 6 :

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SOLUCIONARIO PRACTICA Nº2 DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEORIA 1.- ¿Qué se entiende por Aletas? Las Aletas son superficies extendidas hechas de materiales intensamente conductores, su función es mejorar la transferencia de calor desde una superficie al exponer un área más grande a la convección y radiación. En el análisis de las aletas, se considera operación estacionaria sin generación de calor en la aleta y se supone que la conductividad térmica k del material permanece constante. 1.1.- ¿Qué se entiende por Aletas Longitudinales? Se utilizan en intercambiadores de tubos concéntricos y de camisa; y tubos (sin chicanas), cuando uno de los fluidos es viscoso y escurre en régimen laminar.

1.2.- ¿Qué se entiende por Aletas Transversales? Se emplean principalmente para el enfriamiento y calentamiento de gases en flujo cruzado. Se subdivide a su vez en Aletas de anillos de acero y Aletas helicoidales.

1.3.- ¿Qué se entiende por Aletas Discontinuas? Son un tipo de aleta transversal, en el cual el área transversal no permanece constante a medida que varía la longitud de la aleta. Una de ellas son las aletas de tipo estrella, tipo espina o tipo diente.

2.- Explicar el concepto de Radio Critico en una tubería de fluido caliente y cuál es la particularidad de r1r0. El Radio Critico es precisamente la medida del radio de un aislante en el que la transferencia de calor es máxima o la resistencia del flujo de calor es muy baja, por lo que al colocar un material aislante se debe verificar que el radio externo de este sea mayor al radio critico o que el radio critico sea menor al radio del exterior cilindro. (Para que trabaje como un aislante). Si r1r0 la aplicación adicional de aislamiento siempre reducirá la velocidad de transferencia de calor. 3.- ¿Que ocurre con el costo de aislamiento en consideración a que r1>r0 y que pasa con la carga de calor? Al aumentar el espesor de aislamiento la cantidad de calor que se pierde decrece, pero el costo de aislamiento aumenta. 𝒒𝒇

4.- ¿Qué se entiende por efectividad de una aleta 𝜺𝒇 = ? Y defina el área 𝒉∗𝑨𝒄,𝒃 ∗𝜽𝒃 𝑨𝒄,𝒃 . Se define como la razón de la transferencia de calor de la aleta a la transferencia de calor que existiría sin la aleta. 𝑨𝒄,𝒃 : Área de contacto entre la base y la aleta.

𝒒𝒇

𝒒𝒇

5.- ¿Qué se entiende por Eficiencia de una aleta 𝜼𝒇 = = ? Y defina el 𝒒𝒎𝒂𝒙 𝒉∗𝑨𝒇 ∗𝜽𝒃 área 𝑨𝒇 . La eficiencia de una aleta es la relación que existe entre el calor (qf) que se transfiere de una aleta con condiciones determinadas, y la transferencia de calor máxima (qmáx) que existiría si esa aleta estuviera a la máxima temperatura (la temperatura de la base). 𝑨𝒇 : Área de superficie de la aleta que se expone a convección. 6.- ¿A qué temperatura debe estar el área 𝑨𝒇 para conseguir la eficiencia de la aleta? Para poder hallar la eficiencia de una aleta debemos de hallar la transferencia de calor máxima (qmáx), De aquí, se sigue que la rapidez máxima a la que una aleta puede disipar energía es la rapidez que existiría si toda la superficie de la aleta estuviera a la temperatura de la base. 7.- ¿Qué se entiende por eficiencia global de superficie de aletas 𝜼𝟎 = 𝒒𝒕 𝒉∗𝑨𝒕 ∗𝜽𝒃

𝒒𝒕 𝒒𝒎𝒂𝒙

=

?

Es un parámetro que queda definido como la razón del calor total que fluye por el arreglo (aletas y base) y el calor máximo que debe fluir por él. La transferencia de calor máxima posible resultaría si toda la superficie de la aleta, así como la base expuesta, se mantuvieran en Tb. 8.- ¿Cómo queda definido: 𝑨𝒕 ? Si hay N aletas en el arreglo, cada una de las áreas superficiales Af, y el área de la superficie primaria se designa como Ab, el área de la superficie total es: 𝑨𝒕 = 𝑵𝑨𝒇 + 𝑨𝒃 9.- ¿Cómo queda definido para la eficiencia global de la superficie de las aletas la carga de calor 𝒒𝒕 ? El qt es la transferencia de calor total del área de la superficie At asociada con las aletas y la parte expuesta de la base (a menudo denominada la superficie primaria). La transferencia total de calor por convección de las aletas y de la superficie principal (sin aletas) se expresa como: 𝒒𝒕 = 𝑵𝜼𝒇 𝒉𝑨𝒇 𝜽𝒃 + 𝒉𝑨𝒃 𝜽𝒃

10.- ¿Qué condición debe de cumplir 𝜽𝒃 en los casos de efectividad, eficiencia de aletas y eficiencia global de superficie de aletas? Debe de cumplir que 𝜽𝒃 (gradiente de temperatura) debe de mantenerse constante. 11.- ¿Cómo queda definida la Resistencia térmica debida a la convección en la base expuesta? Es aquella resistencia debido a la convección en el área de la sección transversal de contacto entre la base y la aleta. Queda definido como:

𝑹𝒕,𝒃 =

𝟏 𝒉. 𝑨𝒄,𝒃

12.- ¿Cómo queda definida la Resistencia térmica global debido a la convección en la base expuesta de las aletas en total? Es la resistencia térmica de un arreglo de aletas. Es decir:

𝑹𝒕,𝟎 =

𝜽𝒃 𝟏 = 𝒒𝒕 𝒏𝟎 𝒉. 𝑨𝒕

Donde Rt, 0, es una resistencia efectiva que explica las trayectorias de flujo de calor paralelas por conducción/convección en las aletas y por convección de la superficie principal. Y 𝒏𝟎 es la eficiencia global de la superficie de las aletas.

PROBLEMAS 13.- Una aleta de material acero (𝑲𝑨𝒄𝒆𝒓𝒐 = 𝟑𝟕 𝑲𝒄𝒂𝒍⁄𝒉𝒓. 𝒎°𝑪), que tiene una longitud de aleta de 2.5 cm y un ancho de aleta de 3mm esta sometida a una corriente de aire de 20 °C es decir temperatura ambiente, pero si el aire tiene una velocidad tal que origina que el coeficiente de convección en esta sea de 𝟕𝟑 𝑲𝒄𝒂𝒍⁄𝒉𝒓. 𝒎𝟐 °𝑪. Si sabemos que la temperatura de la base de la aleta esta a 125 °C, por ultimo la aleta esta distribuida longitudinalmente a lo largo de un tubo el cual es parte de una coraza de un equipo térmico, así como la longitud del tubo es de 1m. Calcular: 1) El calor generado (𝑲𝒄𝒂𝒍⁄𝒉𝒓) considerando un proceso adiabático. 2) La distribución de temperaturas 𝜽𝒙 ⁄𝜽𝒃 según punto 1. 3) El calor generado (𝑲𝒄𝒂𝒍⁄𝒉𝒓) considerando un proceso de convección en el extremo. 4) La distribución de temperaturas 𝜽𝒙 ⁄𝜽𝒃 segun punto 1. 5) Cuál es la diferencia de la carga de calor entre el punto 1 y el punto 3 (𝑲𝒄𝒂𝒍⁄𝒉𝒓). 6) ¿Qué conclusión llegamos del resultado del punto 5? Solución Datos: L = 2.5 cm=0.025m→LC = L + t/2=0.025 + (0.003/2) = 0.0265m t = 3mm = 0.003m Ha = 1m P = 2*(Ha + t) = 2*(1+0.003) =2.006m 𝑨𝑪 = Ha ∗ 𝑡 = 1 ∗ 0.003 = 0.003 𝑚2 𝜽𝒃 = 𝑇𝑏 – 𝑇∞ = 125 − 20 = 105°𝐶 𝑴 = √ℎ𝑃𝐾𝐴𝐶 𝜃𝑏 = √73 ∗ 2.006 ∗ 37 ∗ 0.003 ∗ 105 = 423.33 𝐾𝑐𝑎𝑙/ℎ𝑟

𝒎=√

ℎ𝑃 𝐾𝐴𝐶

=√

73∗2.006 37∗0.003

= 36.32 𝑚−1

1.- El calor generado (𝑲𝒄𝒂𝒍⁄𝒉𝒓) considerando un proceso adiabático. 𝑞𝑓 = 𝑀 tanh 𝑚𝐿 𝑞𝑓 = 𝑀 ∗ tanh(𝑚 ∗ 𝐿𝐶 ) 𝑞𝑓 = 423.33 ∗ tanh(36.32 ∗ 0.0625) 𝒒𝒇 = 𝟒𝟏𝟒. 𝟑𝟗 𝑲𝒄𝒂𝒍/𝒉𝒓

2.- La distribución de temperaturas

𝜽𝒙 𝜽𝒃

según punto 1.

𝜃𝑥 cosh[𝑚(𝐿 − 𝑥 )] = 𝜃𝑏 cosh 𝑚𝐿 𝜃𝑥 cosh[𝑚(𝐿𝐶 − 𝑥 )] = 𝜃𝑏 cosh(𝑚 ∗ 𝐿𝐶 ) 𝜃𝑥 cosh[36.32(0.0265 − 𝑥 )] = 𝜃𝑏 cosh(36.32 ∗ 0.0265) 𝜽𝒙 𝐜𝐨𝐬𝐡[𝟎. 𝟗𝟔𝟐𝟒𝟖 − 𝟑𝟔. 𝟑𝟐𝒙] = 𝜽𝒃 𝟏. 𝟓 3.- El calor generado (𝑲𝒄𝒂𝒍⁄𝒉𝒓) considerando un proceso con Convección en el extremo. ℎ ∗ cosh(𝑚𝐿)] 𝑚𝐾 𝑞𝑓 = ℎ cosh(𝑚𝐿) + 𝑚𝐾 ∗ 𝑠𝑒𝑛ℎ(𝑚𝐿) ℎ 𝑀 [𝑠𝑒𝑛ℎ(𝑚𝐿𝐶 ) + 𝑚𝐾 ∗ cosh(𝑚𝐿𝐶 )] 𝑞𝑓 = ℎ cosh(𝑚𝐿𝐶 ) + 𝑚𝐾 ∗ 𝑠𝑒𝑛ℎ(𝑚𝐿𝐶 ) 73 423.33 [𝑠𝑒𝑛ℎ(36.32 ∗ 0.0265) + 36.32 ∗ 37 ∗ cosh(36.32 ∗ 0.0265)] 𝑞𝑓 = 73 cosh(36.32 ∗ 0.0265) + 36.32 ∗ 37 ∗ 𝑠𝑒𝑛ℎ(36.32 ∗ 0.0265) 𝑀 [𝑠𝑒𝑛ℎ(𝑚𝐿) +

𝒒𝒇 = 𝟑𝟐𝟓. 𝟑𝟔𝟒 𝑲𝒄𝒂𝒍/𝒉𝒓

4.- La distribución de temperaturas

𝜽𝒙 𝜽𝒃

según punto 3.

ℎ 𝜃𝑥 cosh[𝑚 (𝐿 − 𝑥)] + 𝑚𝐾 ∗ senh[𝑚(𝐿 − 𝑥)] = ℎ 𝜃𝑏 cosh 𝑚𝐿 + ∗ 𝑠𝑒𝑛ℎ(𝑚𝐿) 𝑚𝐾

ℎ 𝜃𝑥 cosh[𝑚(𝐿𝐶 − 𝑥)] + 𝑚𝐾 ∗ senh[𝑚(𝐿𝐶 − 𝑥)] = ℎ 𝜃𝑏 cosh 𝑚𝐿𝐶 + ∗ 𝑠𝑒𝑛ℎ (𝑚𝐿𝐶 ) 𝑚𝐾 73 𝜃𝑥 cosh[36.32(0.0265 − 𝑥)] + 36.32 ∗ 37 ∗ senh[36.32(0.0265 − 𝑥)] = 73 𝜃𝑏 cosh(36.32 ∗ 0.0265) + 36.32 ∗ 37 ∗ 𝑠𝑒𝑛ℎ(36.32 ∗ 0.0265) 𝜽𝒙 𝐜𝐨𝐬 𝐡[𝟎. 𝟗𝟔𝟐𝟒𝟖 − 𝟑𝟔. 𝟑𝟐𝒙] + 𝟎. 𝟎𝟓𝟒𝟑𝟐 ∗ 𝐬𝐞𝐧𝐡[𝟎. 𝟗𝟔𝟐𝟒𝟖 − 𝟑𝟔. 𝟑𝟐𝒙] = 𝜽𝒃 𝟏. 𝟓𝟔𝟏

5. ¿Cuál es la diferencia de carga entre el punto 1 y el punto 3 (𝑲𝒄𝒂𝒍⁄𝒉𝒓)? La diferencia de carga es: ∆𝑞 = 414.39

𝐾𝑐𝑎𝑙 𝐾𝑐𝑎𝑙 − 325.364 ℎ𝑟 ℎ𝑟

∆𝒒 = 𝟖𝟗. 𝟎𝟐𝟔

𝑲𝒄𝒂𝒍 𝒉𝒓

6. Qué conclusión llegamos del resultado del punto 5. El calor generado en el caso de un proceso adiabático es menor que el calor generado en un proceso de convección en el extremo debido a que la Pérdida de calor es “despreciable” desde la punta de la aleta.