Capitulo 7

Condensación, evaporación y ebullición

Ejemplo 7.1 condensacion del vapor en película laminar

Un vapor saturado se condensa en el exterior de un tubo vertical de 5 cm de diámetro y 50 cm de altura. Si la temperatura de saturación del vapor es de 302 K y la temperatura de la pared se mantiene a 299 K por medio de un flujo de agua refrigerante, calcule: (i) el coeficiente medio de transferencia de calor, (ii) la velocidad total de condensación y (iii) el espesor de la película en la parte inferior del tubo.

Ejemplo 7.2 condensacion del vapor en un tubo vertical largo

En un evaporador de uso multiples se condesa vapor saturado a 27,150 Pa en el exterior de un tubo vertical de 5 cm de diámetro y de 8 m de longitud. Si podemos suponer que la pared externa del tubo esta a 320 K calcule el coeficiente medio de transferencia de calor y la velocidad total de condensación.

Ejemplo 7.3 condensacion de refrigerante -12 sobre un solo tubo horizontal

Un vapor saturado de R-12 a 320 K se condensa en el exterior de un tubo horizontal de bronce de 2 cm de diámetro exterior y paredes de 1 mm de espesor, a través del cual fluye una corriente de agua como refrigerante. En la posición axial en la que la temperatura media del agua es de 295 K y el coefieciente interno de transferencia de calor es de 4500 W/m2 K determine el flujo medio de calor por unidad de area y de velocidad de condesacion por unidad de longitud.

Ejemplo 7.4 efecto del arrestre del vapor en la condensación de refrigerante-12

Una corriente de vapor saturado de R-12 a 320 K fluye hacia abajo a 14 ms a lo largo de un tubo de 5cm de diámetro exterior. Otro fluido refrigerante que fluye dentro del tubo mantiene la pared exterior a 300 K. calcule el efecto de arrestre del vopor sobre el coeficiente local de transferencia de calor a 10 cm de la pared superior del tubo.

Ejemplo 7.5 efecto de sobrecalentamiento del vapor en la condensación del amoniaco

Se desea condensar amoniaco a 100 ºC y 1034 KPa en un tubo horizontal de 2 cm de diámetro exterior que se mantiene a 3 ºC. calcule la velocidad de condensación y compare su resultado con la velocidad de condesacion del vapor saturado a la misma presión.

Ejemplo 7.6 evaporacion desde una película descendente de agua

En cierto montaje experimental se vierte agua a razón de 0.01 kg/s por el extremo superior deun tubo vertical de 5 cm de diámetro exterior y de 5 m de altura. El exterior del tubo se mantiene a 311 k por medio de vapor en condensacion dentro del tubo, y la temperatura de saturación que corresponde a la presión del sistema es de 308 K. calcule la velocidad de producción de vapor.

Ejemplo 7.7 grado de sobrecalentamiento necesario para el inicio de la ebullición en varios liquidos

Calcule el grado de sobrecalentamiento necesario para el único de la ebullición en el caso de un calentador que se encuentra justo por debajo de la superficie de un recipiente de liquidos saturado, si el liquido es (i) agua a una presión de 1 atm. (ii) agua a 300 K y (iii) nitrógeno a 1 atm. Suponga que los lugares de nucleacion mas grandes tienen un radio de 7.5 μm.

Ejemplo 7.8 ebullicion nucleada de agua sobre una superficie de cobre pulido

Determinar el flujo de calor por unidad de area cuando el agua hierve a 1 atm sobre una superficie de cobre pulido a 390 K.

Ejemplo 7.9 flujo máximo de calor por unidad de area para la ebullición en masa de agua

Calcule el flujo máximo de calor por unidad de area para la ebullición de una masa de agua en un calentador plano grande a las siguientes temperaturas de saturación: (i) 100ºC, (ii) 300 K.

Ejemplo 7.10 ebullicion en película de un liquido criogenico

Una esfera de cobre puro se sumerge repentinamente en una botella de dewar que contiene nitrógeno liquido saturado a una presión de 1 atm. Como la diferencia de temperatura es grande, la ebullición se inicia en el régimen de película. Cuando ∆T=T w−T sat=185K , determine (i) el coeficiente medio de transferencia de calor y (ii) la tasa de cambio de la temperatura de la esfera.

Ejemplo 7.11 ebullicion de películas del agua sobre una placa horizontal

¿Cuál es el valor del flujo de calor por unidad de area que puede ceder una placa horizontal grande por medio de la ebullición de película de agua a una presión de 1 atm si la temperatura superficial de la placa es de 827 K? la emitancia de la placa es de 0.8.

Ejemplo 7.12 evaporacion de agua de tubos verticales

Un evaporador de tubos verticales compuesto por 100 tubos de 5 cm de diámetro exterior y con paredes de 2mm de espesor genera 83 kg/s de vapor. En cierta posición a lo largo del evaporador la presión es de 1.17 MPa y el titulo del vapor es del 10.0 %. Identifique el régimen de flujo para un flujo hacia arriba en corriente paralela.

Ejemplo 7.13 condensador de refrigerante -12 de tubos horizontales

Una masa de R-12 se condensa en un tubo horizontal de cobre de 1 cm de diámetro exterior y paredes de 1mm de espesor. La velocidad de flujo de masa es de 0.0125 kg/s y, en la posición en la que la presión es de 1.10 MPa, la calidad termodinámica es de 60 %. Determinar el régimen de flujo.

Ejemplo 7.14 gradiente de presión en un evaporador de agua de tubos verticales

Calcule el gradiente de presión del ejemplo 7.12 si cada uno de los tubos se calienta a razón de

1.5 x105 W por metro de longitud.

Ejemplo 7.15 gradiente de presión en un condensador de refrigerante -12 tubo horizontal

Calcule el gradiente de presión en el ejemplo 7.13 si el tubo se enfria a razón de 500W por metro de longitud.

Ejemplo 7.16 tranferencia de calor en un evaporador de agua de tubos verticales

Calcule el coeficiente de transferencia de calor en el ejemplo 7.12 si los tubos son de acero inoxidable AISI 304.

Ejemplo 7.17 transferencia de calor en un condensador de refrigerante -12 de tubos horizontales

Calcule el coeficiente de transferencia de calor en el ejemplo 7.13.

Ejemplo 7.18 velocidad máxima de evaporación

Calcule la velocidad máxima de evaporación para el agua a 300 K y a 400 K, y para el mercurio a 400 k.

Ejemplo 7.19 calculo del coeficiente de transferencia de calor interfacial

Determine el coeficiente de transferencia de calor interfacial para vapor saturado a 750 Pa.

Ejemplo 7.20 condensacion del vapor en la película laminar

En cierto experimento diseñado para estudiar el coeficiente de condensación del agua, se condensa vapor saturado a 750 Pa sobre una placa vertical de 10 cm de altura, el cual se mantiene a 274.0 K. determine el flujo medio de calor por unidad de area esperando si (i) σ=1.0 , (ii )σ=0.04.

Ejemplo 7.21 tubo de calor de amoniaco

Un tubo de calor de amoniaco esta construido con un tubo de acero inoxidable de 0.5 pulgadas de diámetro exterior y tiene una longitud efectiva de 1.40 m. el relleno poroso es una placa fibrosa de aluminio cuya sección transversal tiene un area de 4.7 x 10−5m2 , para estudiar el comportamiento de este relleno se realizo un experimento consistente en determinar la carga térmica necesaria para el quemado destructivo del material en función de la inclinación del tubo durante el experimento la sección adiabática se mantuvo a 22oC±2OC .

angulo de inclinacion del tubo en grados 0 0.3 0.5 0.7 0.9

Qmax ,W 94 74 55 38 23

Calcular el valor del radio efectivo de los poros y la permeabilidad de Darcy de este relleno de aluminio.

Ejemplo 7.22 tubo de calor con carga gaseosa para un satélite de comunicaciones

Un tubo de calor de metanol con carga de nitrógeno se construye a partir de un tubo de acero inoxidable de 0.5 pulgadas de diámetro exterior u tiene la forma de L, como se muestra en el diagrama. El relleno es placa fibrosa de acero inoxidable que se extiende hasta el deposito de gas. El area de la sección del espacio para el vapor en el interior del tubo es de 50.3 mm2 y el volumen del deposito es de 5.28 x104mm3. La longitud del condensador es de 35 cm. Cuando la temperatura del sumidero es de 264 K, la tubería esta totalmente abierta para una temperatura de la sección adiabática de 283 K y una carga térmica de 50 W. determinar la masa del gas en el interior de la tubería y elabore una grafica de la carga térmica respecto a la temperatura de la sección adiabática. Además haga variar el volumen del deposito para su efecto sobre el funcionamiento. A una temperatura de referencia T r=5

oC la presión de vapor

del metanol es de 5330 Pa y su entalpia de evaporación es de 1.18 x 106 J/kg.

Capitulo 8

Intercambiador de calor

Ejemplo 8.1 suministro de agua para el enfriamiente del condesador de una turbina de vapor

Con el objeto de generar la potencia requerida, cierta turbina de vapor debe consumir 11.5 kg/s de vapor y expulsarlo a una contrapresión de 4714 Pa ¿bastaran 300 kg/s de agua de rio que esta a 290 K para condensar el vapor.

Ejemplo 8.2 coeficiente global de transferencia de color de un condensador

Un tubo de condensador de bronce tiene un diámetro exterior de 30mm con paredes de 2mm de espesor. Una corriente de agua marina entra en el tubo a 290 K, y un vapor saturado a baja presión se condensa en su exterior. Se estima que los coeficientes interno y externo de transferencia de calor son de 4000 y 8000 W/m2 K, respectivamente y se espera que el valor

de la resistencia por ensucimiento en el lado del agua sea de 10−4( Wm2K

)−1

. Estime el

coeficiente global de transferencia de calor basado en el area interna.

Ejemplo 8.3 coeficiente global de tansferencia de calor de un tubo con aletas

Un tubo de aluminio tiene un diámetro exterior de 3 cm y paredes de mm de espesor. El tubo tiene 100 aletas de agujas de 1.5 mm de diámetro y 4 cm de longitud por cm de longitud. Los

coeficientes interno externo de transferencia de calor son de 5000 y 7 (Wm2K

),

respectivamente calcule el producto del coeficiente global de transferencia de calor por el perímetro. Tome k=204 W/m K para el aluminio.

Ejemplo 8.4 planta piloto de conversión de energía térmica oceánica de ciclo abierto

En cierta planta piloto de conversión de energía térmica oceánica de ciclo abierto, una corriente de agua marina a 300 K entra a razón de 1 kg/s en un evaporador que se mantiene a 2619 Pa. El agua se inyecta a través de un conjunto de boquillas, dando un area de transferencia y un coeficiente de transferencia de calor en lado del liquido cuyos valores se estiman en 0.80 m2 y 17000 W/m2 K, respectivamente. ¿a que velocidad se produce vapor?

Ejemplo 8.5 enfriador de benceno a contracorriente

Un intercambiador de calor en contracorriente en tubos coaxiales debe enfriar 0.30 kg/s. de benceno de 360 K a 310 K con un flujo a contracorriente de agua a 290 K a razón de 0.02 kg/s. si el diametro exterior del tubo interior es de 2 cm y el coeficiente global de transferencia de calor basado en el area exterior es de 650 W/m2 K, determine la longitud que se debe tener el intercambiador. Suponga que los calores específicos del benceno y del agua son de 1880 y 4175 J/kg K, respectivamente.

Ejemplo 8.6 enfriador de aceite a contracorriente

Tras un largo tiempo en servicio, se verifica el estado de cierto enfriador de aceite a contracorriente para determinar si la formación de depósitos ha deteriorado su rendimiento. Durante la prueba, una corriente de aceite SAE 50 que fluye a razón de 2.0 kg/s se enfria de 420 K a 380 K por medio del agua a 300 k que flye a razón de 1.0 kg/s. ¿en que proporción ha disminuido el coeficiente global de transferencia de calor a causa del ensuciamiento, si el area de transferencia es de 3.33 m2 y el coeficiente global de transferencia de calor es de 930 W/

m2K .

Ejemplo 8.7 enfriamiento de la corriente de productos de una columna de destilación

Se desea enfriar la corriente de productos de una columna de destilicion, que fluye a razón de 4 kg/s, por medio de una corriente de agua de 3 kg/s en un intercambiador en contracorriente. Las temperaturas de entrada de las corrientes calienta y fria son de 400 y 300 K, respectivamente y el area de transferencia de calor del intercambiador es de 30 m2. Si se estima que el coeficiente global de transferencia de calor es de 820 W/m2 K, determine la temperatura de salida de la corriente de productos. Puede suponerse que el calor especifico de la corriente de productos es de 2500 J/kg K.

Ejemplo 8.8 diseño de un intercambiador de placas de flujo cruzado por método ε−Nut

Se pretende diseñar un intercambiador de calor de placas de flujo cruzado para recuperar calor desperdiciado por las corrientes que escapan de un proceso metalúrgico. Un flujo de 5 kg/s de gases de escape entra en el intercambiador a 240oC; una corriente de aire a 20oC que fluye a razón de 5 kg/s debe enfriar estos gases hasta 120oC. Si se estima que el coeficiente global de transferencia de calor es de 40 W/m2 K, determine el area de transferencia de calor que se requiere si las corrientes no están mezcladas. Puede suponerse que el calor especifico de los gases de escape es de 1200 J/kg K.

Ejemplo 8.9 recuperador para un sistema de aire acondicinado

En un sistema de aire acondicionado asistido por energía solar. Se desea precalentar 0.5 kg/s de aire ambiente a 270 K por medio de una cantidad igual de aire que sale del sistema a 295 K. si se usa un intercambiador en contracorriente con un area de 30 m2 y se estima que el coeficiente global de transferencia de calor es de 25 W/m2 K, determine la temperatura de salida del aire precalentado.

Ejemplo 8.10 recuperador para una turbina de gas

Se usa un flujo de 0.1 kg/s de gases de escape a 700 K provenientes de una turbina de gas para precalentar el aire entrante, que se encuentra a una temperatura ambiente de 300 K. se desea enfriar los gases de salida a 400 K y se estima que por medio de un intercambiador adecuado, puede lograrse un coeficiente global de transferencia de color de 30 W/m2 K. determine el area requerida si el intercambiador es en contracorriente.

Ejemplo 8.11 recuperador de tubos gemelos para un refrigerador de hidrogeno

Algunos tipos de sistemas criogenicos de refrigeración requieren intercambiadores de color en contracorriente equilibrada de alta efectividad. Una forma de construir un intercambiador de este tipo para un laboratorio es soldar dos tubos de cobre y enroscar los tubos gemelos resultantes. Cierta unidad esta hecha de tubos de cobre de 10 mm de diámetro exterior con pared de 1 mm de espesor y tiene 5 m de longitud. Se propone usarla en un refrigerador de adsorción de hidrogeno con un flujo equilibrado de 1.0x10−5kg/s hidrogeno. La corriente fría penetra en el intercambiador a 11 K y la corriente caliente a 310 K. calcule la inefectividad del intercambiador en esta aplicación, asi como la temperatura de salida de la corriente fría.

Ejemplo 8.12 recuperacion de placas perforadas para un refrigerador de hidrogeno

Un intercambiador de calor de placas perforadas para un sistema de refrigeración de hidrogenno solido tiene 100 placas con un area de sección transversal de flujo de 0.001 m2 para cada corriente. Las placas son de aluminio de 2mm de espesor y los espaciadores son de 3 mm de espesor con huellas de area 0.0004 m2 y una conductividad de 0.35 W/m K. determine la ineficacia del intercambiador para una contracorriente equilibrada de hidrogeno a razón de 6 x10−6kg/s. tome un valor de 60 W/m2 K para el coeficiente global de transferencia de calor. Basado en un area de transferencia de 0.00216 m2 por placa y suponga que el calor especifico del hidrogeno es de 13600 J/kg K.

Ejemplo 8.13 calentador de aire de lecho compacto

En el ejercicio 4.77 se describe un calentador regenerativo de aire con un lecho compacto de bolas de acero de 9 mm. Los datos mas importantes son: area de sección transversal de 0.1 m2, velocidad de flujo de aire m= 0.05 kg/s, fracción de volumen vacia ε v=0.38, perímetro de

transferencia P=41.3m y coeficiente de transferencia de calor hc=134Wm2K . Suponiendo

que el flujo es equilibrado y que los coeficientes de transferencia de calor de las dos corrientes son iguales, determine la efectividad en función del semiperiodo τ para un intercambiador de 5.0 cm de longitud. Tome un valor de 460 J/kg K para el calor especifico del acero.

Ejemplo 8.14 mascara protectora para climas frios

Se desea diseñar un regenerador en forma de mascara para reducir la tensión térmica dentro de la nariz del usuario en el clima antártico. Suponga que se inhalado se halla a 330C, sin importar los efectos de la condensación y la evaporación de la humedad determine un tamaño adecuado de la matriz.

Ejemplo 8.15 caida de presión en un intercambiador multitubular

Un intercambiador de multiples tubos circulares consta de 100 tubos de 1 m de longitud, 6 mm de diámetro exterior y paredes de 0.5 mm de espesor, dispuestos en una disposición cuadrada con un paso de 8 mm. El area frontal del intercambiador en tanto que un flujo de 5.66 x 10−3 kg/s de helio penetra en los tubos a 50 K y a una presión de 15 KPa. Determine la caída de presión del flujo de helio.

Ejemplo 8.16 intercambiador de tubos gemelos con flujo laminar

Se desea construir un intercambiador de calor en contracorriente para un sistema de refrigeración criogenico de hidrogeno soldando dos tubos de acero por su generatriz, el sistema tiene un flujo equilibrado de 6.0 x 10−6 kg/s. la corriente fría entra a 11 K y su temperatura debe aumentar hasta 300 K. la presión promedio en el lado frio es de 667 Pa; en el lado caliente pasan por cada lado alternadamente. Determine las dimensiones adecuadas del intercambiador si la caída de presión permisible en el lado frio es de 80 Pa.

Ejemplo 8.17 intercambiador de tubos gemelos con flujo turbulento

Se desea usar un intercambiador de calor en contracorriente de tubos gemelos para un flujo equilibrado de aire de 2 x 10−3 kg/s. la corriente fría entra a 280 K y su temperatura debe aumentar hasta 340 K. determine las dimensiones adecuadas del intercambiador si la presión media de las corrientes es de 1 atm y la caída de presión permisible de la corriente fría es de 9000 Pa. Conviene usar tubos de cobre para obtener una elevada eficiencia de aletas en las paredes de los tubos.

Ejemplo 8.18 intercambiador de flujo cruzado de placas con aletas

Se desea usar un intercambiador de calor de flujo cruzado de placas y aletas con conductos de sección transversal cuadrada con una eficiencia del 70% para un flujo equilibrado de aire. Cuando la velocidad de flujo es de 0.330 kg/s la caída de presión permisible es de 330 Pa. Determine las dimensiones adecuadas del intercambiador. Evalue las propiedades del fluidos a 320 K y 1atm; no tome en cuenta la resistencia térmica de las placas y de las aletas.

Ejemplo 8. 19 diseño de un intercambio de placas con aletas de flujo cruzado

Repita el ejemplo 8.18 usando las ecuaciones de la sección 8.73.

Ejemplo 8.20 Conservacion d energía en una fabrica de cerveza

Cierto proceso de lavado de botellas requiere agua limpia a 80ºC; el agua del lavado se vierte por el desague a 75ºC. Altualmente se usa un calentador eléctrico para calentar el agua de alimentación cuya temperatura es del 20ºC y el suministro de agua requerido es de 10 000 kg/h. 8 h/dia. 250 dis al año. El costo de la electricidad es de 8 centavos k w h. Con objeto de ahorrar energía, se propuso instalar un intercambiador de calor en contracorriente para precalentar el agua que alimenta el calentador eléctrico. Se prevé que el costo de la unidad será de $30 000 mas $1800 por metro cuardrado dela superficie del intercambiador . La taza de interés para amortizar la inversión en un plazo de 15 años es del 9% anual. Se espera que los impuestos y seguros tengan un costo fijo de $1 100 años mas 70 dolares/año por metro cuadrado de la superficie del intercambiador . Puede suponerse que el coeficiente global de transferencia de calor es de 1200 w/m2 k. ¿Qué valor tendrá el area optima de transferencia de calor del intercambiador y cual será el ahorro neto anual correspondiente?

Ejemplo 8.21 Recuperador de placas con aletas de flujo cruzado equilibrado para un sistema de calefacción de aire

Se requiere un recuperador para un sistema de calefacción de aire capaz de calentar 0.5 kg s de aire. El aire calienta entra a 295 K, el aire frio entra a 270 k y se debe calentar hasta 287 k. La presión de entrada del aire caliente es de 986 mbar. Determine las dimensiones de un intercambiador de flujo cruzado con la superficie de aletas tipo persiana que aparece en numero 6 de la tabla 8,4, para obtener una caída de presión de 330 Pa en el lado caliente. El nucleo será de acero AISI 1010 con placas de 0.300 mm de espesor.

Ejemplo 8.22 Analisis económico de un recuperador para un sistema de calefacción de aire

Se desea efectuar el análisis económico del recuperador del ejemplo 8.21. La tasa de interés para un préstamo a 20 años es del 8%, el costo fijo del intercambiador es de 300 dolares y el costo de la superficie de transferencia de calor por unidad de area es de $10m2 año. El costo de la electricidad es de 0.08 $/kw h y el sistema de calefaccion opera durate 16 horas cada dia, 190 dias al año.Si no se usara el recuperador un calentador eléctrico tendría que suministra el calor necesario. (i) determine la diferencial beneficio –costo del intercambiador

dimensionado en el ejemplo 8.21 (ii) Use el programa HEX2 para representar gráficamente la diferencia benefico costo en función de la temperatura de salida de la corriente fría y de la caída de presión de la corriente caliente.