Ejercicios Convección Forzada Banco de Tubos

INGENIERÍA PETROQUÍMICA

DEPAR DEPARTAM TAMENT ENTO O DE DE ENER ENERG G A Y MEC MEC NICA NICA TRANSFERENCIA DE CALOR II ING. HERÁN MORALES

Alumno: Changoluisa Elvis Fabricio Curso: 6to “Petroquímica” Fecha: 7/10/2018 TEMA:

CONVECCIÓN FORZADA-BANCO DE TUBOS

Ejercicio 1 Determine el coeficiente de transferencia de calor promedio para aire a 60 °C que fluye a una velocidad de 1 m/s sobre un banco de tubos de 6 cm de diámetro exterior configurados como se muestra en el bosquejo siguiente. La temperatura de la pared de los tubos es 117 °C. Datos



Ta= 60°C = 1 m/s D = 6 cm = 0.06 m Tp = 117°C Propiedades del aire a 60°C



k= 0.0279 W/(m K) = 19.4 × 10 – 6 m2/s Pr= 0.71 Tp@ Pr s = 0.71

 = 2.∗5.1 1 = 2.2.4343 m/sm/s  =  ∗ D = 2.43 ms ∗ 19.4x100.06m− ∗ ms =7515  = 10.7.62 =1. 3 4<2 .  .       .  .  .    =0.35     = 0.0.351.1.344.. ∗7515. ∗0.71. ∗1=69.4  =0.75∗69.4=52.05

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W 0. 0 279  ℎ̅ =   =52.05∗ 0.06mm K =.   Ejercicio 2 Determine el coeficiente de transferencia de calor en el punto de estancamiento estancamiento y el valor promedio del coeficiente de transferencia de calor para un tubo individual de 5 cm de diámetro exterior y 60 cm de longitud en flujo fl ujo transversal. La temperatura de la superficie del tubo es 260 °C, la velocidad del fluido f luido en flujo perpendicular al eje del tubo t ubo es 6 m/s y la temperatura del fluido es 38 °C. Considere los siguientes fluidos: a) aire, b) hidrógeno y c) agua. Datos:

Diámetro exterior D = 5 cm = 0.05 m L = 60 cm = 0.6 cm Ts= 260 °C V=6 Tb= 38 °C

m/s

Propiedades del aire a 38 °C:



m/s

k= 0.0264 W/(m K) = 17.4 × 10 – 6 Pr = 0.71 Pr s = 0.71.

Propiedades del hidrogeno:



k= 0.187 W/(m K) = 116.6 × 10 – 6 m2/s Pr= 0.704 Pr s= 0.671

 6 ∗0. 0 5  ∗   ==  = 17.110− ∗  =17.241  0. 0 264  ℎ∞ =114  ... =.140 0.05  17,241.0.71. == 68.9 W/m W/m .   ̅ ℎ       =  =    





m = 0.6 Pr = 0.71 n = 0.37

.   ̅ ℎ  0. 7 1  .  .  .  .    =  = 0.0.26∗26 ∗ 17,7,1 241241 0.0.711 0.71 =79.8 W ̅ 0. 0 264 ℎ   =  =79.8∗ 0.05mK =.  

Ejercicio 3

Se requiere calentar dióxido de carbono gaseoso que se encuentra a 1 atmósfera, de 25 a 75C, bombeándolo a través de un banco de tubos a una velocidad de 4m/s. Los tubos se calientan por vapor a 200C condensándose en su interior. Los tubos tienen un diámetro exterior de 10mm, están configurados en línea y tienen un espaciamiento longitudinal de 15mm y un espaciamiento transversal de 17mm. Si se requiere 13 filas de tubos, ¿Cuál es el coeficiente de transferencia de calor promedio? y ¿Cuál es la caída de presión del dióxido de carbono?

50°   = 1.1.6772 6772 /  =/0.0.0183 0 1 836 6 / /  −/ =9. 6 4∗10 =0. 7 63  = 884 / / =0.712  =  ∗ 8.3.55 =9.71/  9. 7 1    =  = 9.64∗10 ∗0.−01/ =10.077  = 1715  =1.133 .    .   .   ̅ 

A temperatura fílmica de . Densidad Conductividad térmica Viscosidad cinemática Número de Prandtl Prandtl Calor especifico Pr para la superficie de los tubos

La velocidad máxima del CO2 es

El número de Reynolds es

El número de Nusselt es:





 0. 0 1863  ̅ℎ = ̅  ∗  =82.9∗ 0.01 = .  / No es necesaria la corrección de N (filas transversales) ya que N es mayor a 10 Ecuación 7.37 Kreith

   =∗ 2    1 1=  1   1=0. 3 5 ;  =3  = 1.5   9. 7  1. 6 772  ∗   =1. 5 ∗  2   ∗13=.

Lectura de la fig. 7.25 para la determinación de

(

De la figura 7.25 pág. 476 Kreith

Ejercicio 4 Estime el coeficiente de transferencia de calor para sodio líquido a 1 000 °F que fluye sobre un banco de tubos cruzados de 10 filas, que tienen 1 pulgada de diámetro, configurados en un arreglo triangular equilátero con una relación de paso a diámetro de 1.5. La velocidad de entrada es 2 ft/s, basada en el área de la coraza y la temperatura superficial es 400 °F. La temperatura de salida del sodio es 600 °F.

DATOS Ts,in = 540°C T s,out = 310°C (N) = 10 (D) = 2.5 cm (S/D) = 1.5 (Us) = 0.6 m/s (Tt) = 200°C ( ρ ) = 871.2 kg/m3 (c) = 1285 J/(kg K) (k) = 70 W/(m K) ( ν ) = 2.863 × 10– 7 m2/s (Pr) = 0.0047

 1.875





1.8 ∗ 2.2.5−10−  = 1,57,200 2.863 10  /  = 4.4.0303 +=0.23.23228.1  .. = 4.03 + 0.228[1,1,57,20000 0.0047].. ℎ =   = 23.2 – 2 2.70/ 649600 /2 /2  5 10−  = 6496 =  / / 

Ejercicio 5

Mercurio líquido a una temperatura de 315 °C fluye a una velocidad de 10 cm/s sobre un banco cruzado de tubos tubos de de acero acero inoxidable inoxidable 16 BGW BGW de 5/8 in configurados en un arreglo arreglo triangular con una relación de paso a diámetro de 1.375. Si agua a 2 atm de presión se evapora dentro de los tubos, estime la tasa promedio de transferencia de calor al agua por metro de longitud del banco, si éste tiene 10 filas y contiene 60 tubos. El coeficiente de transferencia de calor para ebullición es 20 000 W/m2 K Datos

==12,1214,,80472 // // =315℃ =0,=0, 0673100083−/ { =134/  =120°  = 0,0,0159 0159   = 0,0,0126 0126   @° =14,4   =  ∗ 0,0,41297172 =0,37/    0, 3 7  0, 0 , 0 159 159      =  = 0,067310 − =87414 ℎ̅̅ = =4,̅ 03+0, =22,2288 14,02/, =22,=20,8147 /    0,0159





    0,0,00159 l n    126  = 2 = 214,4   =0,00257  1 1 0159 =1,65610−  1  = ℎ̅1  = ℎ̅1  = 20,147  ∗60∗0,  =  + =2,+ 1110−  1+0,00257  1+1,65610−  1    1     =0,∆00259315120      =  = 0,03025915120 ℃1  =   /

Ejercicio 6

Compare la tasa de transferencia de calor y la caída de presión para una configuración en línea y una escalonada de un banco de tubos que consiste en 300 tubos, de 18 m de longitud con un diámetro exterior de 2.5 cm. Los tubos se configurarán en 15 filas con espaciamientos longitudinal y transversal iguales a 5 cm. La temperatura superficial de los tubos es 95 °C y agua a 35 °C circula a un flujo másico de 5400 kg/s sobre los tubos. Datos

Nt= 300 L=1.8 m D= 2.5 cm N= 15 Espacio longitudinal = 5 cm Tt= 95 °C w= 35 °C

̇=5400 

Propiedades del Agua @ 35 °C ρ= 1000kg/m3

k=0.63 W/(m K) µ= 6.92x10-4 kg/s







(a)

(b)

  =19 5  + 5   = 1 0 0   = 1  54001/1.8  = 3   = ̇ = 1000  2.5   =  1.25 − = 6 //   6  2. 2 . 5 10  1000         =  = 6.9210−  =2.1710 .   .    .  .  .   .    .  .   .   1427    = 0.0.2121    =0.211 2.2.1710 4.5 . =  0. 6 3  (ℎ̅) =   =1427 2.510− =35.93  ∆=        1  1=1 =1 = 2  =0. 19 =0.19 1000  6   1 5    ∆∆ =0.19 2 = 5130 513000 =  = 51.51.3  =1.1  = 2  =0.0.1186 =0.18 ∆∆ = 51.51.3  0.19 = .  

Ejercicio 7

Considere un intercambiador de calor que consiste en tubos de cobre de 12.5mm de diámetro exterior en una configuración cruzada con espaciamiento transversal de 25mm y espaciamiento de 30mm con nueve tubos en la dirección longitudinal. Dentro de los





,=5 = 20 ° , = 32 °  = 1.0.1057 251  =   =15.1012910−  ==0.∗71 

Propiedades del fluido

a)

 =  ∗ 12.6.255 = 10   ∗  =  =  = . ∗. =7862  = 25 =0.833 30 ̅ =0.35  0.0.2 ..  . ̅  =0.350.833 .7862.0.71.1 =64.9 ℎ̅̅ =̅=0.∗9964.=129 64.9 =64.3     ∗   ∗   

b) ∆ p=





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