Água é usada nas duas correntes que escoam através de um trocador de calor com escoamentos cruzados (não misturados) e um único passe. A água quente entra a
e
, enquanto a água fria entra a
e
. Sendo a efetividade do trocador igual a
, determine a temperaturas de saída da água fria e da água quente, e a área da superfície de transferência de calor. O coeficiente global de transferência de calor é igual a
.
Passo 1
Vamos começar entendendo o que a questão está pedindo. Temos um trocador de calor de escoamento cruzado, onde duas correntes de água, uma quente e uma fria, passam sem se misturar. A água quente entra a 80°C com uma vazão de 15.000 kg/h, e a água fria entra a 10°C com uma vazão de 18.000 kg/h. A efetividade do trocador é 65%, e o coeficiente global de transferência de calor é U = 340 W/m²·K. Precisamos descobrir as temperaturas de saída das duas correntes de água e a área da superfície de transferência de calor necessária. Para resolver isso, vamos usar conceitos de transferência de calor em trocadores e aplicar fórmulas matemáticas relacionadas.
Passo 2
Primeiro, vamos converter as vazões de massa de kg/h para kg/s, já que as unidades de tempo no coeficiente U estão em segundos.
Passo 3
Em seguida, assumimos que a água tem uma capacidade térmica específica (
) de aproximadamente 4,18 kJ/kg·K. Vamos calcular as taxas de capacidade térmica para as correntes quente e fria:
Passo 4
Identificamos
e
, que são as menores e maiores taxas de capacidade térmica entre as correntes:
Passo 5
A efetividade (
) está relacionada com a transferência de calor real (
) e a transferência de calor máxima possível (
):
Onde,
Então,
Passo 6
Agora, vamos encontrar as temperaturas de saída. Para a água fria:
Para a água quente:
Passo 7
Agora, vamos calcular a área da superfície de transferência de calor necessária. Usamos a fórmula da transferência de calor:
Onde
é a diferença de temperatura média logarítmica (LMTD). Para um trocador de escoamento cruzado com um passe, a LMTD é calculada por:
Substituindo os valores:
Agora, isolamos
na fórmula de transferência de calor:
Resposta
As temperaturas de saída da água fria e quente são aproximadamente 48,0°C e 34,5°C, respectivamente. A área da superfície de transferência de calor necessária é de cerca de 82,5 m².
Exercícios relacionados
Um trocador de calor casco e tubos, com um passe no casco e dois passes nos tubos, é usado para transferir calor de uma solução de etilenoglicol-água (lado do casco), vinda de um coletor solar instalado no telhado, para água pura (lado dos tubos) usada em atividades domésticas. Os tubos possuem diâmetros interno e externo de
e
, respectivamente. Cada um dos 100 tubos tem
de comprimento (
por passe), e o coeficiente de transferência de calor associado à mistura etilenoglicol-água é de
.
a) Para tubos de cobre puro, calcule a taxa de transferência de calor da solução de etilenoglicol-água ( ) para a água pura (
,
). Determine as temperaturas de saída das duas correntes de fluidos.
b) Propõe-se substituir a matriz tubular de cobre por uma matriz composta por tubos de náilon resistente a altas temperaturas com os mesmos diâmetro e espessura de parede. O náilon é caracterizado por uma condutividade térmica de .
Determine o comprimento dos tubos necessário para transferir a mesma quantidade de energia do item (a).
a) Para tubos de cobre puro, calcule a taxa de transferência de calor da solução de etilenoglicol-água (
b) Propõe-se substituir a matriz tubular de cobre por uma matriz composta por tubos de náilon resistente a altas temperaturas com os mesmos diâmetro e espessura de parede. O náilon é caracterizado por uma condutividade térmica de
Determine o comprimento dos tubos necessário para transferir a mesma quantidade de energia do item (a).
As temperaturas de entrada quente e fria em um trocador de calor bitubular são
e
, respectivamente. As temperaturas de saída são
e
. O trocador de calor está operando em uma configuração paralela ou contracorrente? Qual é a efetividade do trocador de calor? Qual é o NUT? Não há mudança de fase nos dois fluidos.
Uma linha de vapor circula em uma indústria de produção de suco concentrado. Deseja-se saber a quantidade de calor perdida para o ambiente ao longo da tubulação (por metro de tubo), se vapor saturado a 1 atm circula internamente a um tubo de aço Schedule 40 de
, cuja condutividade térmica é de
, e a temperatura no ambiente externo é de
. Um revestimento de lã de vidro de
é usado para diminuir a perda de calor (
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Em am laticínio pretende-se produzir leite longa vida utilizando-se um trocador de calor casco-tubo, com tubos em aço Schedule 40 de
. O leite entra no trocador a uma velocidade de
, a temperatura de
, e sai, após o tratamento térmico, a
. Neste processo é usado vapor da) O coeficiente de transferência de calor interno.
b) O coeficiente global de transferência de calor considerando uma área de livre escolha (interna ou externa).
Propriedades do leite a sua temperatura média:
b) O coeficiente global de transferência de calor considerando uma área de livre escolha (interna ou externa).
Propriedades do leite a sua temperatura média: