Transferencia de Calor

Un condensador de vapor está hecho de tubos de latón de 5/8 de pulgada de diámetro, de calibre 18. Hay dos pasos de tubo de 125 tubos por paso, cada paso de 6 pies de longitud. El agua refrigerante entra a 75°F y tiene una velocidad promedio de 4.5 pies/seg. Determine el número de libras de vapor saturado a 2 psia que será condensado. Se sabe que el coeficiente de película exterior es de 2 000 Btu/h-pie°F. Solución

Hasta aquí hemos discutido acerca de los cambistas de calor con flujo paralelo y encontrado con un valor de U constante. En realidad, el valor de U depende fuertemente de la temperatura y las propiedades físicas (conductividad térmica, viscosidad, etc., ) de los fluidos que se usan. REsultados anaíticos para el caso en que U varia linealmente con la diferencia de temperatura (Th - Tc) de acuerdo con la relación.

En los problemas muestra anteriores, suponemos que se conoce el valor de U. En realidad, se deben calcular los coeficientes convectivos de transferencia de calor en el interior y el exterior de los tubosy luego calcular el valor de U con ayuda de la ecuación (11-15a) o (b). El cálculo del valor de U requiere que se suponga una temperatura de película promedio  o una temperatura de superficie promedio, que se puede verificar sólo después que se han calculado todas las temperaturas de entrada y salida del cambista.

Cierto cambista de calor tiene un paso de cáscara y cuatro pasos de tubo con un área de superficie total de 100pies². Aceite con un calor específico de 0.6 Btu/lbm°F entra a una temperatura de 350°F a una razón de 16 galones por minuto. Se dispone de agua refrigerante a una razón de 6 000 lbm/h, con una temperatura de 60°F. Determine las temperaturas de salida del aceite y del agua si el valor de U es de 180Btu/h-pie²°F. Solución

Airea a 25% °C fluye sobre un cambista de calor de flujo cruzado y enfría agua de 99% °C a 60°C. El agua fluye a una razón de 4kg/min a través de un número de pasajes separados dentro del cambista de calor. La razón de flujo de masa del aire es de 14 kg/min. Si el coeficiente de transferencia total del aire es de 80 W/m².K, determine el área de transferencia de calor requerida y la efectividad del cambista de calor. Solución

Calcule la efectividad del cambista de calor del problema muestra 11-2 cuando se usa en la forma de (1) flujo paralelo, (2) de flujo encontrado. Solución

En las figuras 11-17 a 11-22 se presentan gráficas de variación de la efectividad, ε, con respecto a NUT teniendo (Cmin/Cmax) como un parámetro para cambistas de calor de flujo paralelo, flujo encontrado y flujo cruzado.

Para discutir la efectividad de un cambista de calor de flujo cruzado, se requiere distinguir entre fluidos mezclados  y no meclados. Recordemos de la sección 8-4 que si un fluido que entra el cambista se divide en trayectorias separadas por tubos o canales, se llama fluido no mezclado. Si no existen dichos tubos o canales, se dice que el fluido es un fluido mezclado. Las expresiones para la efectividad de un cambista de calor para varias situaciones en flujo cruzado (referencia 6), que se dan en seguida, contienen términos R y NUT. Dichas cantidades se definen como

Reconociendo el miembro izquierdo como ε [ecuación (11-23a)] y sustituyendo β, obtenemos finalmente

Ahora substituimos la expresión para Tc,o, según se obtuvo en la deducción procedente de ε para flujo paralelo y se supone que el fluido caliente es aquel que tiene la mínima razón de capacidad calorífica. Así tenemos.

El enfoque para obtener una expresión para la efectividad, ε, para un cambista de calor de flujo encontrado es similar al que se utiliza para el cambista de calor de flujo paralelo. Igualando razones de flujo de calor según se dan en la formulación DTML y el balance de energía, se tiene.

También se puede obtener la expresión anterior para ε de manera más directa trabajando con las ecuaciones (11-17b) y (11-17c). Exactamente en la misma forma que antes, con R definido como (mccc/mhch), se obtiene el fluido cuando el frío resulta tener la misma razón de capacidad calorífica. Por lo tanto, la efectividad se expresa con frecuencia como

Observamos que el miembro izquierdo de la ecuación anterior, salvo por el término Tc,o, es similar a la expresión de la efectividad, ε, ecuación (11-23a), para el caso de que el fluido caliente es aquel con la mínima razón de capacidad calorífica. Según la ecuación (11-24a)

La ecuación anterior contiene todas las cuatro temperaturas terminales. Podemos eliminar la razón de diferencias de temperaturas que aparecen en el miembro derecho reescribiendo la ecuación (11-16), mcch(Th,i - Th,o) = mccc(Tc,o - Tc,i) como

Comenzamos igualando expresiones para la razón de transferencia de calor que se obtiene en base al balance de energía y la DTML [ecuaciones (11-16) y (11-18a)]