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INTERCAMBIADORES DE CALOR. Parte II

SEMINARIO NO 11INTERCAMBIADORES DE CALOR I

1. Realice los grficos T vs. x, cualitativamente para intercambiadores de doble tubo con flujo en contracorriente y paralelo. Analice los posibles cruces de temperaturas para los fluidos.

2. Un fluido caliente se enfra de 110 a 100oC, su calor especfico es similar al del agua. Se usarn 0.3 Kg/s de agua de enfriamiento. El intercambiador utilizado es un equipo doble tubo, siendo su dimetro interior = 0.025 m. El coeficiente de transferencia de calor global referido al rea interna se estima en 1600 J/m2sK.

Compare las ventajas de flujo a contracorriente sobre flujo en paralelo mediante el valor de MLDT cuando el fluido fro modifica su temperatura de:

60 a 90C

50 a 90oC

10 a 60oC

Calcule en cada caso el rea requerida y la longitud de equipo necesaria. Saque conclusiones a partir de los valores calculados.

3. Se usa CO2 a 426 oC para calentar 45 400 Kg/h de etilenglicol de 38 a 150 oC, mientras la temperatura del gas desciende 220oC. El coeficiente de transferencia de calor total es 56.78 W/m2 oC. Calcular el rea necesaria del intercambiador para:

flujo en paralelo,

flujo en contracorriente,

flujo de gas mezclado transversal

4. En un intercambiador de tubo y coraza con un tubo interior de 2 de dimetro externo se condensa vapor a 104 oC. Dentro del tubo fluye agua con un caudal de 13260 kg/h. El coeficiente total de transferencia de calor basado en la superficie exterior tubo es de 852 W/m2 oC. Determinar la longitud del intercambiador para aumentar la temperatura del agua de 21 a 65 oC.

5. Agua fluyendo a razn de 45400 Kg/h se enfra de 95 a 60 oC por medio de un flujo igual de agua fra que entra a 35 oC. La velocidad del agua es tal que el coeficiente total de transferencia de calor es de 2270 Kcal/ h m2 oC. Determinar la superficie del intercambiador de calor para:

flujo en paralelo,

flujo en contracorriente

6. Rehacer el problema 5, sabiendo que el agua de enfriamiento es agua de mar que fluye a una velocidad de 4 ft/s. Realizar todas las suposiciones necesarias para resolver este problema.

7. Para un equipo de transferencia de calor con tubos concntricos que tiene un tubo interior de 1 IPS Sh 40 se ha calculado el coeficiente de pelcula interior (hi) en 10 BTU/ h ft2 oF. Mediante clculos apropiados se obtuvo el coeficiente de pelcula exterior (he) para tres fluidos diferentes, obtenindose 1, 10 y 100 BTU/ h ft2 oF en cada caso. Despreciando la resistencia del tubo evale la sensibilidad del coeficiente total de transferencia de calor con los cambios en he.

8. Un aceite (Cp=2.09 KJ/Kg C) entra en un enfriador de aceite a 82 C con un caudal de 9060 Kg/h. El enfriador es un intercambiador en contracorriente con agua como refrigerante. El rea de transferencia es de 28 m2 y el coeficiente total de transferencia es de 567 W/m2 oC. El agua entra al intercambiador a 27 C. Determinar el caudal de agua necesario si el aceite sale del intercambiador a 38 C .

9. Se desean enfriar 3000 Kg/h de un solvente desde 40 a 30 oC. Como fluido fro se usar corriente de etilenglicol a 5 oC que, por condiciones de proceso, no puede salir a ms de 25 oC. Se trabajar con un intercambiador de doble tubo, con una longitud mxima de 6 m. Para este proceso se prev una resistencia de ensuciamiento combinada es Rf = 5 10-4 m2 K s/ J.

a) Seleccione el dimetro de los tubos a utilizar. Explique el criterio utilizado.

b) Calcule el nmero de tubos necesarios y las prdidas de carga en ambos lados del equipo.

Propiedades del SolventePropiedades del etilnglicol

Densidad =

Calor especfico =

Viscosidad =790 Kg/m3

1922 J/Kg K

0.95 10-3 Kg/m sDensidad =

Calor especfico =

Conductividad =1010 Kg/m3

2340 J/Kg K

0.264 J/s m K

Conductividad trmica =0.187 J/s m KTemperatura (C)Viscosidad (Kg/m s)

10

20

30

400.028

0.020

0.014

0.012

10. Se enfra agua que fluye a razn de 100000 lb/h desde 200F a 150F utilizando agua fra que entra a 100F y sale a 140F. La velocidad del agua es tal que el coeficiente global de transferencia de calor es de 400 BTU/h ft2 F. La cada de presin permitida para el fluido caliente es de 5 psi. Se desea evaluar la factibilidad de uso de los siguientes arreglos:

a) Intercambiador de doble tubo con flujo en paralelo con el fluido fro circulando en el nulo. Se poseen horquillas de 20 pies de longitud y los tubos son de 4 y 3 IPS.

b) dem a), para flujo en contracorriente.

c) Intercambiador 1-2 con tubos de 3/4 18 BWG, arreglo triangular, paso 15/16 y 12 pies de longitud. El fluido caliente pasar por los tubos.

En cada caso indique si el arreglo es utilizable o no, justificando su respuesta. Cuando el arreglo sirva para el proceso, especifique adems la cantidad de horquillas o tubos necesarios.

SEMINARIO NO 12INTERCAMBIADORES DE CALOR II

1. Deben enfriarse 20000 kg/h alcohol etlico a 80 C en un intercambiador de calor que opera a presin atmosfrica. Para este proceso, se utilizarn 30800 kg/h agua de mar (no tratada), disponibles a 20 C. La resistencia de ensuciamiento del agua de mar se estima en 5.16 10-4 m2 C / W. El alcohol no contiene impurezas que se depositen en el equipo.

Las cadas de presin permitidas para ambas corrientes son de 67 kPa.

Se utilizar un equipo 2:6 de 18 ft de longitud, con 368 tubos BWG 14 de 1 arreglados en cuadro con Pt = 1 1/4. El dimetro interno de la coraza es de 31 y posee 22 deflectores segmentados en un 25%.

Adopte las propiedades de la tabla inferior para los fluidos. Puede considerarlas constantes en el intervalo de temperaturas de trabajo.

Cp (KJ/Kg K)m (kg/m s)r (Kg/m3)k (W/m K)Pr

alcohol2.937 10-47800.1513.67

agua4.1877.64 10-410000.625.15

a) Indique por que lado circular cada corriente. Justifique brevemente su respuesta.

b) Calcule las temperaturas de salida de ambas corrientes utilizando el mtodo de las unidades de transferencia y eficiencia (NTU, e).

c) Calcule la prdida de carga de ambas corrientes cumplen con la restriccin? En caso contrario, indique que hara para que el proceso se vuelva factible.

d) Explique:

d1) Por qu le parece que se usa un equipo con dos pasos por la coraza? Responda usando el criterio del factor de correccin del DT medio logartmico (Ft).

d2) En la siguiente tabla indique que sucede con las variables al modificar el parmetro indicado (aumenta, disminuye o no vara). Justifique sus respuestas.

T salida alcoholT salida aguaDP corazaDP tubosU

( NB (n baffles)

( n pasos en tubos

(( Rf

2. Se deben enfriar 14500 Kg/h de una mezcla gaseosa inerte (Cp = 950 J/kg C, m = 0.024cp, r = 0,348 g /l, k = 0.0321 W/m C) a 0.34 atm baromtricas desde 150 oC a 65 oC usando 32600 Kg/h de agua a 18 oC. La cada de presin permitida en el gas es 14 KPa y para el agua 69 KPa, la resistencia de ensuciamiento del lado del gas es de 0.0004 K m2/W.

Se propone el siguiente equipo para llevar a cabo la operacin

Intercambiador 1-4 con las siguientes caractersticas:

Ds = 15.25 No Tubos = 116

D Tubos = 3/4 - 16 BWG

L Tubos = 8.5 mDist. Tubos = cuadro - 1

a) Explique porque se seleccion un equipo sin deflectores para realizar este proceso.

b) Determine si el equipo cumple con las especificaciones del proceso. En caso de no hacerlo, sugiera modificaciones en el arreglo que permitan su utilizacin.

3.Un intercambiador de calor tiene 300 tubos de 3/4 BWG 16, de 2 m de longitud dispuestos en dos pasos. Se lo utilizar para calentar 58 kg/s de un aceite cuyas propiedades son: r = 790 kg/m3; Cp = 2100 J/kg K; k= 0,133 W/m K.

El aceite, que circular por los tubos, ingresar al equipo a 330 K y se lo desea calentar hasta 350 K. El calentamiento se realiza utilizando vapor de agua saturado a 92700 Pa (temperatura de condensacin = 450 K).

a) Decida si el equipo es apropiado para este servicio y si lo fuera calcule la resistencia de ensuciamiento que permite.

b) Calcule exactamente la temperatura de salida del aceite cuando el equipo se ponga en funcionamiento y su resistencia de ensuciamiento sea nula, utilizando el mtodo de la eficiencia-NUT.

La funcionalidad de la viscosidad del aceite con la temperatura se presenta en la siguiente tabla:

T (K)330340350420450

m, kg/m s3,6 10-33,02 10-32,5 10-37,4 10-45,2 10-4

4. 175000 Kg/h de un hidrocarburo de 31( API ( = 0.87 a 15.5(C) deben enfriarse desde 121(C hasta 65.5(C con 260000 Kg/h de agua que entra a 29(C. Las cadas de presin permitidas para cada corriente son 82640 N/m2. Los factores de obstruccin del aceite y del agua son de 0.0007 y 0.0002 W/ C m2, respectivamente. Se emplearn tubos de admiralty de 3/4 DE; 16 pies de longitud, 16 BGW, con arreglo en cuadro de 1. Los deflectores son 20% segmentados y B = 0.2 Dcor. Compare el funcionamiento de los intercambiadores que cumplen con los requerimientos del proceso usando:

a) tubos lisos (no aletados) y

b) tubos con 19 aletas cortas por pulgada, de 1/6 de altura.

Viscosidad del aceite de 31( API a 37(C

1.15 cp

65.5(C

0.85 cp

149(C

0.45 cp

5. Se desea tratar trmicamente suero de manteca para asegurar la destruccin de bacterias patgenas, sin afectar de manera importante las propiedades fsico-qumicas del suero. Se debe seleccionar un equipo capaz de realizar la primera parte del proceso, que consiste en calentar 2.75 Kg/s de suero, desde su temperatura de almacenamiento (4C) hasta 75C, temperatura a la cual se llevar a cabo la pasteurizacin. Utilice 10 kg/h de agua a 95C como fluido caliente y un intercambiador de placas con corrugaciones tipo sardineta a 30, de 1 m de largo x 0.25m de ancho. Mantenga el espaciado entre placas en 5 mm.

Considere las siguientes propiedades para el suero de manteca: = 1038.4 Kg/m3; = 0.0014 Kg/ms; k = 0.585 W/mK; Cp = 3945 KJ/Kg C. La resistencia de ensuciamiento combinada se estima en 0.0003 m2K/W.

a) Calcule los coeficientes globales de transferencia de calor, la temperatura del agua a la salida del equipo y las prdidas de carga para equipos con 40, 60 y 80 placas. Explique el comportamiento observado.

b) Discuta adems el efecto de modificar las distintas variables de diseo: ngulo de las corrugaciones, espaciado entre placas, caudal (o temperatura) de fluido caliente, etc.

SEMINARIO NO 13INTERCAMBIADORES DE CALOR III

1. Se van a enfriar 33 kg/s de metanol desde 65 C hasta 30 C utilizando agua de enfriamiento a 25 C. El agua no podr calentarse por encima de 40 C por requerimientos del sistema de refrigeracin de la planta. Se acepta una prdida de carga de 150000 Pa para el metanol y de 120000 Pa para el agua. El diseo se realizar considerando una resistencia de ensuciamiento total de 5 10-4 m2 K/W. Las propiedades fsicas del metanol son las siguientes:

k = 0.21 W/m Kr = 800 kg/m3cp = 2508 J/kg K

Viscosidad de metanol (kg/m s)

T (C)7460504030

m0.000300.000360.000400.000470.00054

La poltica de la planta es utilizar tubos de 3/4 BWG 14 (Di = 0.0147 m, Do = 0.019 m) siempre que sea posible y preferir arreglos (en serie o paralelo) de equipos de 1 paso en la coraza antes que un nico equipo con ms de un paso por la coraza.

a) Puede cumplir con los requisitos de intercambio de calor con un nico equipo? Explique su respuesta.

b) Seleccione y verifique un equipo o arreglo de equipos que le permita cumplir con los requisitos del proceso.2. Un solvente comercial ( = 0.21 10-3 Pa.s, Cp = 2386.5 J/Kg K, k = 0.36 W/m K, = 790 Kg/m3) a 121 oC debe enviarse a almacenaje a 38 oC a razn de 27240 Kg/h. El calor ser recibido por 84000 Kg/h de cido actico al 100% ( = 1070 Kg/m3), que entrar al equipo a 32 oC. La cada de presin en ambos fluidos debe ser menor a 69000 N/m2. El factor de ensuciamiento combinado puede tomarse como 0.0007 m2 oC / W.

a) Proponga un equipo para realizar esta tarea. Explique cada una de las decisiones que tome.

b) Verifique el equipo propuesto utilizando los mtodos de Kern y Bell. Compare y discuta los resultados.

c) Intente completar una hoja de especificaciones para un posible fabricante.

d) Explique que sucedera con las variables calculadas en el punto anterior y que modificara para poder seguir utilizando el equipo propuesto si:

1) Se duplica el caudal de solvente.

2) Se requiere que la temperatura de salida del solvente sea menor.

3) La prdida de carga admisible para el fluido que circula por la coraza se reduce a la mitad.

SEMINARIO NO 14CONDENSADORES

1.- Que relacin L/D producira la misma rapidez de flujo de calor de condensacin en pelcula laminar para un tubo en las posiciones horizontal y vertical? Suponer que el dimetro del tubo es grande comparado con el espesor del condensado.

2.- Un condensador para refrigerante 12 (diclorodifluormetano) consta de 15 tubos de 19 mm de dimetro exterior arreglados en 5 hileras con una longitud de 3 ft. El refrigerante se condensa en el exterior de los tubos a 51.6 oC siendo la temperatura de los tubos 44.4oC. Considera Ud. que el condensador debe montarse horizontal o verticalmente?

3.- Se desean condensar 7.5 Kg/s de isobutano puro a 331.7 K en un intercambiador de tubo y coraza horizontal. Se dispone de agua a 301 K. La resistencia de ensuciamiento se estima en 0.0005 K m2/W. Disear el equipo con tubos de 3/4 - 16 BWG.

4.- Se desea condensar 1.25 Kg/s de benceno a presin atmosfrica en un intercambiador de tubo y coraza vertical equipado con tubos de 1 de 15 BWG y 2.5 m de longitud. El agua de refrigeracin ingresa a 295 K pasando a travs de los tubos con una velocidad de 1.05 m/s. Calcule el nmero de tubos necesarios si el equipo esta dispuesto para un solo paso de agua de refrigeracin.

5.- DESOBRECALENTADOR - CONDENSADOR HORIZONTAL

Se desean desobrecalentar y condensar 5144 kg/h de propano provenientes de la descarga de un compresor a una presin de 1300 kPa y 60 C, utilizando como medio refrigerante agua a 30 C que no puede calentarse ms de 4 C. A esta presin, la temperatura de condensacin del propano es de 37,2 C. El solvente se condensar en la carcasa. Se espera una resistencia de ensuciamiento de 0,0003 m2 C / W para el lado del agua y de 0,0001 m2 C / W del lado del propano. Se ha propuesto utilizar el siguiente equipo 1-6 en posicin horizontal:

N = nmero de tubos = 672 arreglados en cuadro con Pt = 23,81 mm;

L = longitud de los tubos = 4 m;

B = separacin entre deflectores = 150 mm;

tubos de 3/4 BWG 13 (Di = 0,0144 m; D0 = 0,019 m)

Ds = dimetro interno de la coraza = 762 mm

Las propiedades fsicas del propano y del agua son las siguientes:

Propano vaporPropano lquidoAgua lquida

Densidad, kg/m328,14761000

Viscosidad, Pa*s0,009 10-30,09 10-310-3

Conductividad trmica, W/m C0,0200,088

Calor especfico, J/ kg C203030204187

Calor de condensacin, kJ/kg314

Muy importante: como el equipo est en posicin horizontal, la primera zona se utilizar para desobrecalentar y la ltima para condensar, por lo que puede resolver el problema como dos equipos en serie. En otras palabras, Ud. puede comparar la suma de las reas requeridas para cada proceso con la disponible en forma directa. Para hacerlo, se recomienda que suponga que el primer metro de longitud del equipo se usa para desobrecalentar y el resto (3 m) para condensar. Obviamente al final del clculo deber comprobar esta suposicin.

a) Evale el equipo desde el punto de vista trmico y responda a las siguientes preguntas, justificando su respuesta:

1) Sirve el equipo para la tarea propuesta?

2) Suponiendo que las correlaciones que us para sus clculos no tienen error, en qu condiciones (vapor sobrecalentado, mezcla de lquido ms vapor saturados, lquido saturado, lquido subenfriado, etc.) saldr el propano del equipo antes de la parada tcnica para limpieza?

3) En qu condiciones saldr el propano del equipo luego de la limpieza? En este caso considere que ambas resistencias de ensuciamiento valen 0 (cero).

4) Cules son las resistencias controlantes en cada parte (desobrecalentador / condensador) del equipo. En este caso justifique numricamente su respuesta.

6.- DESOBRECALENTADOR - CONDENSADOR VERTICAL

57 000 lb/h de n-hexano casi puro entran a la coraza de un condensador vertical 1-2 a 5 psi y 220 oF. El rango de condensacin es de 177 a 170 oF. Se utiliza agua de enfriamiento entre 90 y 120 oF. Evale la posibilidad de llevar a cabo la operacin, si la cada de presin permitida en los tubos es de 8 psi, en un equipo de las siguientes caractersticas:Ds = 31

No Tubos = 650

D Tubos = 3/4 - 16 BWG

L Tubos = 16 ft

Dist. Tubos = triangular - 1

Espaciado entre baffles = 18

7.- CONDENSADOR - SUBENFRIADOR

24 000 lb/h de un vapor de metiletilcetona a 2 psi (P.E. = 180 oF) deben condensarse y enfriarse a 160 oF mediante agua que pasa de 85 oF a 120 oF. Evaluar si es adecuado un equipo 1-2 como el siguiente:

Ds = 25

No Tubos = 468

D Tubos = 3/4 - 16 BWG

L Tubos = 16 ft

Dist. Tubos = triangular - 15/16

SEMINARIO NO 15EVAPORADORES

1. En un evaporador simple entran 15 000 Kg/h de una solucin coloidal de composicin 5% en peso y ha de concentrarse hasta 20%. La calefaccin se efecta por medio de vapor vivo que condensa a 110oC y abandona la cmara de condensacin sin subenfriarse. En la cmara de evaporacin se mantiene una presin absoluta de 250 mmHg. La solucin no presenta un aumento apreciable del punto de ebullicin y su calor especfico puede considerarse igual al del agua independientemente de la concentracin en el rango de trabajo. La alimentacin entra a 20oC. El coeficiente global de transferencia de calor puede considerarse igual a 1 800 Kcal/h m2 oC. El vapor procedente de la disolucin se condensa en un equipo de contacto directo con agua que ingresa a 20oC y sale a 30oC. Calcular:

a.- La superficie de calefaccin.

b.- El consumo de vapor.

c.- El consumo de agua de enfriamiento.

2. Se desea concentrar una solucin de coloides orgnicos desde 20% hasta 65% de slidos en un evaporador de tubos verticales. El calor especfico promedio de la solucin orgnica en el rango de composicin de trabajo es 0.93 Kcal/Kg oC. Se dispone de vapor saturado a 0.7 Kg/cm2 (absoluta). La cmara de evaporacin trabaja a 100 mmHg. El coeficiente global de transferencia de calor es de 1 500 Kcal/h m2 oC. Si se deben evaporar 20 000 Kg/h de agua calcular la superficie de calefaccin y el consumo de vapor para:

a.- T alimentacin = 15 oC

b.- T alimentacin = 50 oC

c.- T alimentacin = 80 oC

3.Se desean concentrar 6000 Kg/h de una solucin acuosa de Na(OH) al 10% peso en peso que entrar a un evaporador de simple efecto a 80C. Se dispone de vapor vivo (saturado) a 5 atm como fuente calefactora. El vapor generado en el evaporador ingresa a un condensador que opera a 10 psi. No hay vlvulas reductoras de presin en la caera que conecta al evaporador con el condensador.

Para esta tarea se cuenta con un evaporador que posee 50 tubos de 2 de dimetro externo y 16 ft de longitud. Se estima que el coeficiente global de transferencia de calor (referido al rea externa) para el equipo en estas condiciones de operacin ser de 2840 W/m2C.

a) Determine la temperatura, concentracin y el caudal msico de la solucin a la salida del evaporador.

b) Calcule la economa de vapor del equipo.

4.Un evaporador de doble efecto se utilizar para concentrar 10 000 lb/h de una solucin de azcar del 10 al 30% en peso. La alimentacin entra al segundo efecto a 70 oF. El vapor saturado a 230 oF se alimenta la primer efecto. La temperatura del condensador final ser 110oF. Los coeficientes totales de transferencia de calor se estiman 400 y 300 BTU/h ft2 para el primer y segundo efecto respectivamente. Las superficies de calentamiento son las mismas en cada efecto. Considerando el Cp constante e igual a 0.95 BTU/lb oF, calcular,

a.- La temperatura de cada efecto.

b.- El consumo de vapor

c.- Las libras de agua evaporada por libra de vapor vivo.

d.- La concentracin de azcar a la salida del segundo efecto.

5.Un caudal de 14 400 Kg/h de una solucin de NaOH al 10% en peso se quiere concentrar hasta un 50% en un evaporador de triple efecto (ver figura), con alimentacin en contra corriente. La alimentacin ingresa a 25oC. Se dispone de vapor de calentamiento a 12 Kg/cm2 y la temperatura del condensador es 30oC. Las reas son iguales. Calcular,

a.- La superficie de calefaccin

b.- El consumo de vapor

c.- La economa de vapor (masa de vapor producida/masa de vapor vivo)

Considere para este sistema que U1 = 3 442 Kcal/h m2 ,U2 = 3 012 Kcal/h m2 y U3= 2 585 Kcal/h m2.

SEMINARIO NO 16CICLOS DE VAPOR

1. Realizar un diagrama tecnolgico del Ciclo Rankine sin sobrecalentamiento de vapor. Describir el proceso en un diagrama T-S, plantear los balances de energa correspondientes al ciclo y la ecuacin de rendimiento para el mismo.

2. a.- Realizar un diagrama tecnolgico del Ciclo Rankine con sobrecalentamiento de vapor. Describir el proceso en un diagrama T-S.

b.- Calcular el rendimiento y los consumos especficos tericos de calor (CTC) y de vapor (CTV) del ciclo para las siguientes condiciones;

P caldera = 40 atm.

P condensador = 0.07 atm

T sobrecalentamiento = 320 oC

3. Recalcular el rendimiento y los consumos especficos tericos de calor (CTC) y de vapor (CTV) del ciclo del inciso 2.b.- modificando las siguientes condiciones

a.- Pcaldera = 50 atm.

b.- Pcondensador = 0.06 atm

c.- Tsobrecalentamiento = 390 oC

4. Para cada uno de los casos analizados anteriormente (2.b.-, 3.a.-, 3.b.- y 3.c.-) calcular los consumos reales de calor (CRC) y vapor (CRV) considerando:

( turbina = 0.8; ( caldera = 095; ( realimentacin = 0.95

5. a.- Realizar un diagrama tecnolgico del Ciclo Rankine con recalentamiento de vapor. Describir el proceso en un diagrama T-S.

b.- Calcular el rendimiento y los consumos especficos tericos de calor (CTC) y de vapor (CTV) de una instalacin que funciona con un ciclo como el descripto en a.- bajo las siguientes condiciones;

P caldera = 85 atm.

P condensador = 0.04 atm

P sobrecal = 40atm

T sobrecalentamiento = 480 oC

( turbina = 0.76

6. a.- Realizar un diagrama tecnolgico del Ciclo Rankine con dos extracciones y un recalentamiento. Describir el proceso en un diagrama T-S.

b.- Calcular el rendimiento y los consumos especficos tericos y reales de calor y de vapor de una instalacin que funciona con un ciclo como el descripto en a.- bajo las siguientes condiciones:

P caldera = 80 atm.

P condensador = 0.03 atm

T sobrecalent. = 460 oC

( turbina = 0.8

( caldera = 0.85

( realimentacin = 0.95

P recalentamiento = 40atm

Nota: Las extracciones se realizan a las temperaturas ptimas

c.- Responda:

Qu modificaciones propondra en las condiciones de proceso para lograr un mayor rendimiento del ciclo?

Cul es el objetivo de realizar extracciones de vapor durante la expansin de la turbina?

Qu lmite propondra como presin del condensador?

7. Una caldera que genera 4000 Kg/h de vapor saturado a una presin de 2 kg/cm2, que se utiliza para alimentar un intercambiador de calor. En ese equipo, el vapor se condensa totalmente y se subenfra, saliendo del intercambiador a 80(C. Luego se bombea a la caldera para repetir el circuito.

Al Ingeniero en jefe se le ocurri aprovechar mejor la caldera, utilizndola para una planta de potencia. Para ello propone incrementar la presin de la misma hasta 28 kg/cm2, y utilizar ahora el vapor a la salida de la turbina como corriente caliente en el intercambiador de calor. Para no tener que modificar tambin el intercambiador de calor, es deseable que el vapor siga entrando a este equipo a la misma temperatura y presin (2 kg/cm2) y que siga saliendo como agua lquida subenfriada a 80C. El rendimiento de la turbina que se compr para crear esta planta de potencia es del 62%. Ud. debe calcular:

a) la temperatura de sobrecalentamiento necesaria para asegurar un vapor de escape (salida de la turbina) con un ttulo de 0.97.

b) el consumo adicional de vapor en el intercambiador de calor al instalar la planta de potencia.

c) la potencia producida en la turbina, medida en HP.

2. La propulsin de un barco se efecta mediante una planta de potencia de vapor, que se muestra esquemticamente en la figura. La turbina de alta (TA) y la de baja (TB) desarrollan de modo conjunto una potencia axial de 15 MW, que se comunica a las hlices; y otra turbina (TG) por separado desarrolla una potencia de 0,5 MW, que alimenta un generador elctrico. La caldera suministra vapor a la turbina de alta y a la del generador a 60 bar y 500 C. El vapor de escape de estas dos turbinas (TG y TA) es de 5 bar, y el rendimiento isoentrpico (eficiencia) de ambas es de 0,9. El vapor de escape de la TB entra al condensador a 0,1 bar con un ttulo de 0,89, y el condensado abandona el condensador a 30 C. El mezclador del agua de alimentacin es de tipo abierto, y la entalpa especfica del agua de alimentacin que abandona el mezclador es de 143,3 kcal/kg. Refirindose a la figura, determine:

a) el estado trmico de cada corriente (lquido saturado o subenfriado; mezcla de lquido + vapor; vapor saturado o sobrecalentado) y las condiciones de presin y temperatura a las que se encuentran.

b) la representacin grfica del ciclo en un diagrama T vs S.

c) el flujo msico de vapor que entra en cada una de las tres turbinas.

d) la eficiencia de la turbina de baja (TB).

e) el rendimiento trmico del ciclo, en funcin de una produccin total de turbinas de 15,5 MW.

ECUACIONES

SEMINARIO NO 17REFRIGERACION

1. Realizar un diagrama tecnolgico del ciclo standard de refrigeracin, describir el proceso en un diagrama log P vs. H y en un T vs. S. Plantear los balances del ciclo y la ecuacin de eficiencia del mismo.

2. Un fabricante ofrece un equipo frigorfico con las siguientes caractersticas,

Sistema seco sin subenfriamiento

Tevaporador = -14 oC

T condensador = 35 oC

Produccin = 5 000 Frigoras/h

Caudal = 10 Kg/h NH3Comprobar el sistema.

3. Un fabricante ofrece un equipo frigorfico con las siguientes caractersticas,

Sistema seco sin subenfriamiento

Produccin = 40 000 Frigoras/h

Tevaporador = -5 oC

T condensador = 30 oC

Evaluar el caudal de NH3 a circular y el coeficiente de efecto frigorfico.

4. En una instalacin en la cual se conocen las temperaturas de evaporacin (-10oC) y condensacin (25oC) se desean obtener 10 000 frig./h. Se cuestiona si sera ms econmico hacerlo con Fren 22 que con amonaco; siendo el costo de este ltimo 10 veces mayor.

5. Una empresa utiliza un sistema de refrigeracin con R12, con un compresor de alimentacin de un evaporador para acondicionamiento de aire y un evaporador de baja temperatura para refrigeracin industrial. El evaporador para acondicionamiento de aire es un enfriador de lquido de 80 Ton de capacidad, mantenido a temperatura de 4.4 oC por una vlvula reductora de presin ubicada a la salida del evaporador. El evaporador de baja temperatura es de 25 Ton. y funciona a -12.2oC. La presin de admisin del compresor es igual a la presin del evaporador de baja y la temperatura de condensacin es 32.2oC. Calcular la potencia consumida por el compresor (HP).

6. En un sistema con R12 la capacidad es de 35 Ton. a -28.9oC. El vapor es bombeado desde el evaporador por un compresor hasta la presin de condensacin (8.44 Kg/cm2). El sistema va ser mejorado haciendo la compresin en dos etapas, con refrigeracin del vapor, pero sin separacin del lquido saturado a 3.2 Kg/cm2, segn el esquema siguiente,

a.- Representar los ciclos en un diagrama P-H y T-S

b.- Calcular la potencia del compresor nico del sistema original

c.- Calcular la potencia total consumida en el ciclo mejorado

d.- Comparar las temperaturas finales de trabajo de compresin

7. Un sistema de amonaco con un evaporador de 45 Ton que funciona a -1.1oC, y uno de 10 Ton a -40 oC; utiliza separador de vapor saturado y enfriador de vapor. La temperatura de condensacin es 32.2oC. Cul es el caudal en el compresor de alta?

8. Se proyecta una instalacin de refrigeracin como se muestra en la figura. Un evaporador a -70oC se alimenta con R12 componiendo un ciclo standard. El condensador de este ciclo trabaja por enfriamiento con amonaco a -30oC proveniente de un ciclo de refrigeracin de tres etapas con un evaporador a -20oC. Evaluar:

a.- las potencias de los cuatro compresores

b.- La masa de agua necesaria en el condensador de NH3 si esta se calienta 10oC.

c.- Los dimetros de los separadores si son cilindros verticales. Estimar la velocidad de salida del vapor.

DATOS:

T condensador de amonaco = 30oC

T condensador de R12 = - 25oC

Capac. evaporador de amonaco = 30 000 Frig/h

Capac. evaporador de R12 = 80 000 Frig./h

P separador 1 = 4.89 Kg/cm2

P separador 2 = 1.94 Kg/cm2El vapor se sobrecalienta 5oC en el trayecto entre el evaporador de NH3 y el separador.

9. Se ha calculado que son necesarios una capacidad de 50 Ton para mantener una cmara a 0oC y 20 Ton para congelar un producto a -28 oC. El esquema tecnolgico adoptado se detalla en la figura. Para las siguientes condiciones de proceso:

Se dispone de agua a 18oC que no puede calentarse ms de 5oC.

A la salida del evaporador de baja el fluido se calienta 5 oC

En el intercambiador el fluido se enfra 10oC

Calcular:

a.- Potencia y caudales bombeados por los compresores

b.- Dimetro necesario en el separador enfriadorc.- Masa de agua necesaria

d.- Eficiencia del sistema.

10. Una heladera tiene un sistema de refrigeracin en dos etapas en cascada que opera entre 0.10 MPa y 1 MPa (ver figura inferior). Cada etapa opera de acuerdo a un ciclo ideal con R-12 como fluido de trabajo. La condensacin del refrigerante en el ciclo inferior ocurre a 0.4 MPa y el caudal msico de R-12 en el ciclo superior es de 0.12 kg/s.

a) Seleccione un presin adecuada para la evaporacin del refrigerante en el ciclo superior.

b) Represente el sistema de refrigeracin en el diagrama p vs H que se le suministr.

c) Calcule el caudal msico de R-12 del ciclo inferior.

d) Calcule la capacidad de refrigeracin del sistema de refrigeracin, en ton.

e) Cul es la mnima temperatura a la que se podra mantener el helado?

f) Calcule la produccin diaria de helado (masa de helado que puede congelarse por da). Para este punto considere que el helado entrar a la cmara a temperatura ambiente = 25C y que se almacenar a la temperatura seleccionada en el punto anterior.

g) Analice las ventajas o desventajas de esta propuesta en comparacin con la utilizacin de un ciclo standard entre 0.10 MPa y 1 MPa.

Datos adicionales

1 ton = 3024 Kcal/h

1 cal = 4.187 J

3.72x10-4 HP = 1 KJ/h

Punto de congelacin del helado = -1(C

Cp helado por encima del punto de congelacin = 0.98 cal/ g (C

Cp helado por debajo del punto de congelacin = 0.4 cal/ g (C

Calor latente de fusin de helado = 60 cal / gr

11. En el siguiente esquema se muestra el sistema de refrigeracin con el que cuenta una empresa.

A la planta llega una carga diaria de 12000 lb/da de pescado a 15(C, que debe enfriase hasta -23(C en 24 horas. Tambin se reciben 75000 lb/da de mariscos a 15(C que deben ser almacenados a 0(C.

Para el intercambio de calor en el condensador se dispone de agua de refrigeracin a 10(C, que no puede calentarse a mas de 25(C (cota fijada por las normas ISO 14000 de calidad ambiental). Se usar amonaco como refrigerante. Note que una de las corrientes de salida del condensador se subenfra 20(C en el separador.

Los clculos que el sector tcnico de la planta le han solicitado son los siguientes:

a) cantidad de calor a intercambiar en cada evaporador.

b) los caudales msicos de refrigerante que circulan por cada rama.

c) potencia total de compresin.

d) coeficientes de efecto refrigerante de cada evaporador.

e) el rea del separador (la velocidad de ascenso del vapor es de 1 m/s).

f) coeficiente de funcionamiento del ciclo.

g) caudal de agua de enfriamiento.

Datos:

ProductoPunto de congelacin, (FCalor especfico por sobre el punto de congelacin, Btu/lb (FCalor especfico por debajo del punto de congelacin, Btu/lb (FCalor latente de fusin, Btu/lb

Pescado fresco280.7 0.90.38 0.45122

Mariscos frescos280.83 0.90.44 0.46120

ECUACIONES Y CAMBIOS DE UNIDADES

Coeficiente de Efecto Refrigerante= Efecto refrigerante real

Efecto refrigerante mximo

1Ton = 3 024 Kcal/h

1 Frigora = 1 Kcal

2

2

1

7

Condensador

6

Evaporador

Evaporador

Condensador

1er

EFECTO

2do

EFECTO

3er

EFECTO

Al

condensador

Carga

Vapor

Producto

Compresor de baja

Compresor de alta

EMBED MSWordArt.2 \s

CICLO MEJORADO

1

7

6

5

Condensador

8.44 Kg/cm2

Evaporador

-28.9oC

2

3

4

T = 20(C

2

1

Condensador

Evaporador

10 Ton

Evaporador

45 Ton

Evaporador 2

Condensador

Evaporador

Evaporador

Evaporador

Condensador

Evaporador 1

Evaporador

Condensador

Evaporador

Condensador

5

4

3

2

1

Mezclador

Condensador

0,5 MW

15 MW

TG

TB

TA

Caldera

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