Água a
e
entra em um tubo trocador de calor de 10 mm de diâmetro cuja temperatura de parede é mantida a
. Calcule: (a) o comprimento de tubo necessário para aquecer a água a
.
Passo 1
Beleza, vamos lá! Você tem água entrando num tubo trocador de calor com uma vazão de 1500 kg/h a 10°C. A parede do tubo está mantida a 49°C e queremos saber qual o comprimento do tubo necessário pra aquecer a água até 40°C. Para resolver isso, vamos usar conceitos de transferência de calor e balanço energético. Precisaremos das propriedades da água, como a capacidade térmica específica, e das fórmulas de transferência de calor em tubos.
Passo 2
Primeiro, vamos calcular a quantidade de calor necessária para aquecer a água de 10°C até 40°C. A fórmula básica para isso é:
Onde:
-
é a quantidade de calor (em kJ/h) -
é a vazão mássica (1500 kg/h) -
é a capacidade térmica específica da água (aproximadamente 4,18 kJ/kg·°C) -
é a mudança de temperatura (40°C - 10°C = 30°C)
Vamos calcular:
Passo 3
Agora, precisamos relacionar essa quantidade de calor com a transferência de calor no tubo. A fórmula para transferência de calor por convecção na parede do tubo é:
Onde:
-
é o coeficiente de transferência de calor (vamos assumir um valor padrão ou que seja fornecido) -
é a área de superfície do tubo -
é a diferença de temperatura logarítmica média
Como o tubo é longo e a temperatura da parede é constante, a temperatura da água varia ao longo do comprimento. Para simplificar, podemos usar a equação de balanço de energia para fluxo contínuo com temperatura variando:
Onde:
-
é o perímetro do tubo ( ) -
é o comprimento do tubo que queremos encontrar
Vamos reorganizar para encontrar
:
Passo 4
Vamos calcular cada parte da equação. Primeiro, o perímetro do tubo:
Agora, a razão dentro do logaritmo:
O logaritmo natural disso:
Agora, substituindo tudo na fórmula:
Para prosseguir, precisamos do valor do coeficiente de transferência de calor
. Se não for fornecido, geralmente assume-se um valor típico para água em tubulações, por exemplo,
. Convertendo para kJ/h·m²·°C:
Agora, substituindo:
Resposta
O comprimento necessário do tubo para aquecer a água de 10°C até 40°C é aproximadamente 163 metros.