PROBLEMA DE INTERCAMBIADOR DE CALOR

Prob 1.    Se debe diseñar un intercambiador de calor de tubos y coraza, con flujo en paralelo, un paso por la coraza y seis pasos por los tubos, con el fluido caliente por la chaqueta y el frío por los tubos, este intercambiador se debe emplear para enfriar una corriente de 1 kg/s de n-butanol, desde 40 °C hasta 25 °C, para dicho efecto se dispone de una corriente de agua a 10 °C que incrementa su temperatura en un máximo de 5 °C, para dicho intercambiador determine:

Parte a)  Al área de transferencia de calor si el mismo cuenta con un coeficiente de transferencia de calor igual a 300 W/m2*K, para dicho cálculo emplee dos distintos métodos de cálculo para determinar dicha área (6 pts.).

Solución

U=300 W/m2 K

Cp  agua a Tc,media 285.5 K AGUA = 4204.85 J/kg*k

Cp  n-butnol a 305.5 K n-butanol  = 2492.56 J/Kg* K

Se calcula la temperatura logarítmica media a partir de:

[pic 1]

∆Tlm=18.20

Para calcular el calor que pierde el n butanol

Q= mCp∆ T

Q=1*1187.58*15=37388.4

 E igualando el calor perdido por el n butanol al calor ganado por el agua, se obtiene la masa del agua.

Mh2o=Qn butanol/ Cp H2O∆T

Mh2o= 1,78 Kg

Calculando Y y Z con las ecuaciones:

Y=[pic 2]

Z=[pic 3]

Sustiuyrendo los valores correspondiente:

Y=0,1667

Z=3

Por lo tanto  empleando la  figura 22. 9 del libro Welty, se obtiene un valor de F= 0.94, y aplicando la ecuación

Q=UAF∆Tlm

3788.4= 300*A*0.94*18.2048

Despejando el A

A= 7.28 m2

Otra forma de calcular el área es con el método de NTU, Por lo que se calculan los valores de Cmin y Cmáx.

CH2O=7484.63 J/K

Cn butanol= 2492.56 J/K

El ∆T del n-butanol es mayor, por lo que Cn butanol=C min

Y se calcula la ε,utilizando la ecuación para el caso que

Cmax/Cmin=0.335

ε=0.500

Con la figura 22.2  inciso C) Haciendo una aproximación para un valor de Cmin/Cmax=0.33 y ε =0.500, se obtiene un valor de NTU de 0.83. Y se calcula el área despejando de la ecuación:

NTU= UA/Cmin

Se calcula  A=NTU*Cmin/U = 6.836 m2

Parte b)  Con el intercambiador propuesto, determine la nueva temperatura de salida del agua y del butanol si se hiciera necesario triplicar el flujo de n-butanol en el intercambiador

Solución:

 Manteniendo de la parte a)  el valor de U y A=7,28 m2, y  suponiendo que los valores de Cp de la parte a) se mantienen constantes, y   considerando que el flujo de agua se mantiene constante.

Planteando el sistema de ecuaciones:

3Cp*(X-40)=1.78*4204.85*(Y-10)

3Cp(X-40)=300*7.28*0.94(((X-Y)-30)/ln((X-Y)/30)

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