Água deve ser aquecida de
a
em um trocador de calor de tubo duplo a uma taxa de
. A água flui dentro de um tubo com vapor condensando a
no lado externo. A parede do tubo é tão fina que a resistência da parede pode ser negligenciada. Assumindo que o coeficiente do filme de vapor,
, é
. Qual o tamanho do menor trocador de calor que aquecerá a água até a temperatura desejada? As propriedades médias da água são:
.
Passo 1
Vamos resolver um exercício de transferência de calor envolvendo um trocador de calor de tubo duplo. O objetivo é determinar o tamanho mínimo desse trocador para aquecer água de
a
com uma taxa de fluxo de
. Para isso, vamos utilizar conceitos de termodinâmica e transferência de calor, como a equação de balanço de energia e a determinação da área necessária para a transferência de calor.
Passo 2
Primeiro, precisamos converter a taxa de fluxo de água de kg/h para kg/s para facilitar os cálculos:
Passo 3
Em seguida, calculamos a quantidade de calor necessária para aquecer a água usando a fórmula:
Onde:
-
é a taxa de fluxo de massa, -
é a capacidade calorífica específica, -
é a variação de temperatura.
Substituindo os valores:
Passo 4
Agora, vamos determinar a área necessária do trocador de calor usando a equação de transferência de calor:
Onde:
-
é o coeficiente global de transferência de calor, -
é a área de transferência de calor, -
é a diferença de temperatura média logarítmica.
Primeiro, precisamos calcular
. Como a resistência da parede do tubo é negligenciada,
pode ser aproximado pelo coeficiente do filme no lado do vapor,
:
Passo 5
Calculamos a diferença de temperatura média logarítmica (
) para um trocador de calor em contrafluxo (assumindo que é o caso mais eficiente):
Substituindo os valores:
Passo 6
Agora, rearranjamos a equação de transferência de calor para encontrar a área
:
Substituindo os valores:
Resposta
O tamanho mínimo do trocador de calor necessário para aquecer a água até
é de aproximadamente
.