Transferencia de calor

PROBLEMA TIPO PARCIAL

Para llevar a cabo uno de los procesos de una importante industria en Mamonal es requerido grandes cantidades de vapor saturado. Para ello, se dispone de una caldera de vapor que trabaja adiabáticamente a 1 atm de presión y a la que se le suministra 9.8 kg/s de agua a 20°C para su calentamiento con 165 kg/s de gases de combustión a 362°C. Con el objetivo de optimizar el proceso y generar mayor vapor saturado, se aplican los principios de cogeneración para aprovechar el contenido energético de los gases a la salida de la caldera, así que se hacen pasar sobre un banco de tubos dispuestos en forma cuadrada con separación desde sus centros de 3 cm. Cada tubo tiene 5 m de longitud y diámetro exterior de 1.5 cm. Los gases de combustión se aproximan al banco en la dirección perpendicular con una velocidad media de 6 m/s, esta velocidad  es adquirida con el uso de sopladores con costo operacional de 0.3 dólar/kW-h en funcionamiento 24 horas diarias durante todo el año. Además, se cuentan con 30 filas en la dirección del flujo con 15 tubos en cada una de ellas. El agua que ingresa a los tubos a una presión de 4.25 kPa con título de vapor de 0.3 proveniente de otro proceso realizado en la planta con dispositivos de generación de trabajo se mueve lentamente a una velocidad de 1.5 m/s. Debido a los elevados costos de funcionamiento de la caldera y de obtención de los gases de combustión a altas temperaturas presupuestados en 160 dólares/ kW-h, es requerido que toda el agua que entra a los tubos se convierta en vapor y de este modo suplir la demanda de vapor con menores repercusiones económicas.

Un grupo de ingenieros iniciaron las investigaciones pertinentes sobre el sistema y contemplaron la alternativa de variar la calidad a partir modificaciones en el proceso de generación de trabajo, entonces, se pusieron a la tarea de determinar el valor del título de vapor del agua que satisfaga los propósitos de la investigación. Sin embargo, uno de los ingenieros se encargó de estudiar el estado actual del banco de tubos y concluyó que los tubos presentaban ensuciamiento por contacto con los fluidos utilizados. La capa de suciedad de espesor de 3 mm presenta, según pruebas de laboratorio de sus propiedades termofísicas, una conductividad térmica aproximadamente igual a la del vidrio pyrex. En base a esto, se planteó el mantenimiento del conjunto de tubos que representa un incremento en los costos de producción en 0.5 dólares por metro cúbico limpiado. Su función, como ingeniero en formación, es analizar la viabilidad de las alternativas planteadas para optimizar el proceso y tomar la decisión más pertinente con respecto al estudio térmico e hidrodinámico del proceso. Sugerencia: Considere las propiedades de los gases de combustión como las del aire atmosférico. Tenga en cuenta que la reducción de costos está asociado a los dólares ahorrados con la cogeneración en vez de que la cantidad de agua evaporada se sometiera al calentamiento en la caldera.  

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