Plantas Temicas

CONSUMIDOR 1

Es un recipiente que contiene 400 kg de producto líquido en el cual se le agrega energía de tal forma que eleve su temperatura de 20°c a 90°c en un tiempo de calentamiento de 40 min, el calor especifico (Cp) de este producto es de Cp=0.62 kcal/kg°c. Dicha sustancia cuando esta frio tiene una Dr=0.92 y cuando está caliente una Dr=0.95. El recipiente donde se realiza dicha mezcla deberá ser de acero inoxidable de un espesor de 2 mm. Por lo que corresponde a las dimensiones, figura geométrica, asilamiento, espesor de aislamiento y protección mecánica será seleccionado a criterio propio.

El recipiente tendrá un enchaquetado de 5cm donde entra el vapor a una presión de 5 bars por la parte superior y la salida de condensados por la parte inferior controlándose con una trampa de vapor, la lógica de control deberá ser determina a conveniencia ya que una vez que se haya llegado a la temperatura de 90°c se debe mantener durante 20 min y después volverá a comenzar el ciclo de llenado y calentado del la sustancia.

Nota: la temperatura del aire ambiente es de 25°c

Datos del fluido:

Dr=0.92 frio

Dr=0.95 caliente

m=400 Kg

t_1=20°c

t_2=90°c

Cp=0.62kcal/(kg°c)

Datos del vapor (tablas de vapor saturado seco):

P=5 bars manometrica

P=6 bars absolutos

h_fg=501 kcal/kg

t=160.1 °c

CALCULO DE LAS DIMISIONES DEL TANQUE DONDE SE ALMACENARA EL PRODUCTO Y SE REALIZARA LA TRANSFERENCIA DE CALOR:

De la siguiente ecuación:

Dr=(densidad del fluido )/(densidad del agua)

Despejando la densidad del fluido, tomando en cuenta que la densidad del agua es igual a 1000 kg/m^3 , y sustituyendo la Dr caliente del fluido a considerar tenemos que:

densidad del fluido=(Dr)(densidad del agua)

densidad del fluido=(0.95)(1000 kg/m^3 )=950 Kg/m^3

Ahora de la formula:

densidad=masa/volumen

Despejamos el volumen y obtenemos

volumen=masa/densidad=(400 Kg)/(950 Kg/m^3 )=0.421 m^3

Para que el volumen de nuestro recipiente no quede justo le agregaremos un poco de volumen quedando finalmente como:

volumen=0.45 m^3

Ahora precederemos a repartir las dimensiones, esto es a criterio propio quedando como lo muestra la figura:

lago=1m

ancho=1m

altura=0.45 m

CALCULO DE LA ENERGÍA NECESARIA PARA CALENTAR EL PRODUCTO:

De la ecuación:

q=mCpΔT

Donde:

q= calor

m=masa

Cp=calor especifico

ΔT=diferencia de temperaturas

Sustituyendo valores obtenemos el calor necesario para elevar de 20°c a 90°c nuestro producto:

q=(400kg)(0.62 kcal/(Kg°c))(90°c-20°c)=17,360 kcal

Ahora como queremos calentar el producto en 40 min, sacamos la razón de calor dividiendo el calor entre el tiempo:

q=17,360 Kcal/40min⁡〖=434 Kcal/min〗; Razón de calor que tenemos que agregar durante 40 min para cumplir las condiciones de temperatura.

q⁡〖=(434 Kcal/min〗)((60 min)/(1 hora))=26040 Kcal/hr Calor por cada hora

CALCULO DEL CALOR PERDIDO POR TRANSFERENCIA EN LA PAREDES DEL EQUIPO:

Para este punto explicare la configuración de las paredes de nuestro recipiente en base a lo que se muestra en la figura:

Se compone de una lamina de acero inoxidable de 2mm de espesor

5 cm de lana mineral (fue considerada la lana mineral por su aplicación a altas temperaturas)

otra lamina de acero inoxidable de 2mm de espesor:

Datos de los materiales:

Acero inoxidable= λ=196 e= 0.002 m

Lana mineral=λ=0.035 e=0.05 m

Aire ambiente= hc=25

ahora que ya sabemos los datos tenemos que sacar el coeficiente de transferencia de calor por conducción – convección:

K=1/(1/hci+e1/λ1+e2/λ2+en/λn+1/hce)

Sustituyendo valores y no tomando el hc1 (vapor) por mera conveniencia obtenemos:

K=1/(0.002/196+0.002/196+0.05/0.035+1/25)=0.68092439Kcal/(hm^2°c)

Aplicando la siguiente formula obtenemos el calor que se escapa por las paredes:

q=AK∆T

Donde:

q= calor

A=área de transferencia de calor

K=coeficiente de transferencia de calor

ΔT=diferencia de temperaturas [interna (vapor)-extrema (ambiente)]

Área: es el área de la paredes por donde se transfiere el calor; tenemos las dimensiones internas del recipiente, solo hay que aumentarle las 5cm (como lo muestra la figura) por donde pasa el vapor y obtenemos:

largo=1.1m

ancho=1.1m

altura=0.55 m

El área total es la suma de las 6 caras de nuestro recipiente, las 4 caras laterales son iguales entre sí, y las otras dos que son la inferior y superior también son iguales entre sí, entonces tenemos:

Area total=[(1.1m)(0.55m)(4) ]+[(1.1m)(1.1m)(2) ]=4.84m^2

Aplicando la formula de calor antes citada obtenemos:

q=AK∆T=(4.84m^2 )(0.68092439 Kcal/(hm^2°c))(160.1°c-25°c)=445.24556378 Kcal/h

Para obtener el calor por min solo dividimos entre 60 min:

q=(445.24556378 Kcal/h) (1 h)/(60 min)=7.42 Kcal/min

CALCULO DE LA MASA DE VAPOR PARA SATISFACER ESTA ENERGÍA:

De la ecuación:

q=mh_fg

Despejamos la masa y obtenemos:

m=q/hfg=(434 Kcal/min)/(501 Kcal/kg)=0.881077844 Kg/min=51.97 Kg/hr

Nota: esta es la cantidad de vapor que hay que agregar durante 40 min para satisfacer el escape de calor y el calentamiento de la sustancia de 20°c a 90°c

MASA DE VAPOR PARA MANTENER LA TEMPERATURA A 90°C

Ahora solo utilizamos la cantidad de calor que se escapa por las paredes para que nuestro fluido no pierda ni gane temperatura

q=mh_fg

m=q/hfg=(7.42 Kcal/min)/(501 Kcal/kg)=0.01481038 Kg/min= 0.8886 Kg/hr

Nota: cantidad de calor que hay que agregar durante 20 min, para mantener la temperatura de nuestra sustancia a 90°c

CONSUMIDOR 2

Es un generador de energía eléctrica que consume 650 Kg/h de vapor a una presión de 15 bars de entrada y 13 bars de salida.

Se tiene que calcular la cantidad de agua que viene de la torre de enfriamiento así como el caudal de aire q se necesita para enfriar esa misma agua una vez que regresa a la torre, también se calculara la cantidad de agua que se pierde por la absorción del aire.

Los datos se harán en base a los siguientes datos; la temperatura de salida del intercambiador y entrada a la torres es de 62°c y la de entrada al intercambiador y salida de la torre es de 35°c.

El aire tiene una temperatura de entrada de 26°c Bs y 19°c Bh, el aire saldrá a una temperatura de 40°c Bs con una humedad relativa del 100%.

Datos del vapor:

P entrada=15 bars maometrica=16 bars absoluta

h_fg=462 Kcal/Kg

P salida=13 bars manometrica=14 bars absoluta

h_fg=470.8547 Kcal/Kg

Datos del agua:

t_entrada=35°c

t_salida=62°c

Cp=1Kcal/(Kg°c)

Datos del aire:

t_entrada=26°c Bs,19°c Bh

t_salida=40°c

Humedad relativa de salida=100%

densidad(φ)=1.1551 Kg/m^3

Cp=0.24Kcal/(Kg°c)

CALCULO DEL CALOR QUE SE TIENE QUE QUITAR AL VAPOR PARA CONDENSARLO

De la ecuación:

q=mh_fg

Sustituyendo valores tenemos:

q=(650 Kg/h)(470.8547 Kcal/Kg)=306,055.55 Kcal/h

Ahora calculamos la cantidad de agua necesaria para absorber esa energía tomando en cuenta las temperaturas antes mencionadas:

De la ecuación siguiente despejamos la masa y obtenemos:

q=mCpΔT

m=q/CpΔT=(306,055.55 Kcal/h)/((1 Kcal/(kg°c))(62-35)°c)=11,335.4Kg/h= 11,335.4 litros/hr

CALCULO DEL CAUDAL DE AIRE PARA ENFRIAR EL AGUA QUE ENTRA A LA TORRE PROCEDENTE EL INTERCAMBIADOR DE CALOR:

t_entrada=26°c Bs,19°c Bh

t_salida=40°c

Humedad relativa de salida=100%

Q=q/ΔTCpφ

Donde

Q=caudal de aire

q=calor que deve ser absorvido

ΔT=diferemcia de temperaturas (Bs)

Cp=calor espesifico del aire

φ=densidad mediqa del aire la presion atmosferica dada

Tenemos que aplicar una fórmula para sacar la densidad media que es:

φ=0.465760/(273.16+t)

Sacamos la densidad para cada temperatura y después sacamos la media de esas densidades:

φ1=0.465 760/(273.16+40°c)=1.129kg/m^3

φ2=0.465 760/(273.16+26°c)=1.1813kg/m^3

densidad media= (φ1+φ2)/2=(1.129 kg/m^3 +1.1813 kg/m^3 )/2=1.1551kg/m^3

Q=(306,055.55 Kcal/h)/((40-26)°c(0.24 Kcal/Kg°c)(1.1551Kg/m^3))=78,857.2 m^3/h

PERDIDA DE AGUA POR LA ABSORCIÓN DEL AIRE

Con la ayuda de un diagrama psicométrico determinaremos que cantidad de humedad relativa tiene al aire al entrar a la torre, dándonos como resultado:

con t_entrada=26°c Bs,19°c Bh humedad relativa=10.5 gr/Kg

Ahora determinaremos la humedad relativa al salir de la torre:

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