Um fluido de processo possui um calor específico de .K e flui a uma taxa de . Ele deve ser resfriado por um trocador de calor de a . Para isso será utilizada água, disponível à temperatura de e a uma taxa de fluxo mássico de . Assumindo trocadores de calor cujo coeficiente global de troca de calor seja de , calcule, em , as áreas necessárias para cada tipo de trocador de calor listado a seguir:
a) (1,0) Fluxo paralelo
b) Contrafluxo
c) Casco e tubo, com uma passagem pelo casco utilizando dois tubos
d) Fluxo cruzado, com uma única passagem e ambos os fluidos sem agitação*.

Passo 1

Beleza, vamos entender o que o exercício está pedindo. Temos um fluido de processo que precisa ser resfriado de 80°C para 50°C usando água como fluido de resfriamento. A gente vai usar conceitos de trocadores de calor para calcular a área necessária para diferentes tipos de trocadores. Para resolver isso, vamos precisar usar a fórmula de troca de calor baseada na diferença de temperatura média logarítmica (LMTD) e considerar o tipo de fluxo do trocador.

Passo 2

Primeiro, vamos calcular a área necessária para um trocador de calor de fluxo paralelo.

Passo 3

A fórmula básica para calcular a área é:
Onde:
  • é a taxa de calor transferido
  • é o coeficiente global de troca de calor
  • é a área do trocador
  • é a diferença de temperatura média logarítmica

Passo 4

Primeiro, vamos calcular . Podemos usar a equação:
Onde:
  • é a taxa de fluxo mássico do fluido de processo
  • é o calor específico
Então,

Passo 5

Agora, vamos calcular a diferença de temperatura média logarítmica ( ) para fluxo paralelo:
Onde:
  • ,
  • , vamos calcular
Primeiro, calculamos também para a água:
Assumindo da água como aproximadamente :

Passo 6

Agora, calculamos :

Passo 7

Finalmente, calculamos a área :
²

Passo 8

A área necessária para um trocador de calor de fluxo paralelo é aproximadamente 2,62 m².

Passo 9

Agora, vamos calcular a área para um trocador de calor de contrafluxo.

Passo 10

Usamos a mesma fórmula de , mas a diferença está na para contrafluxo.

Passo 11

Calculamos a nova :

Passo 12

Calculamos a área :
²

Passo 13

A área necessária para um trocador de calor de contrafluxo é aproximadamente 2,34 m².

Passo 14

Agora, vamos calcular a área para um trocador de calor tipo casco e tubo, com uma passagem pelo casco utilizando dois tubos.

Passo 15

A configuração casco e tubo pode ter diferentes fatores de ajuste na área. Considerando duas passagens pelos tubos, o fator de área geralmente é menor que o fluxo paralelo ou contrafluxo. Vamos assumir que a área calculada anteriormente deve ser ajustada por um fator de eficiência específico para casco e tubo.

Passo 16

Se o fator de ajuste for, por exemplo, 1,5, então:
²²

Passo 17

A área necessária para um trocador de calor casco e tubo com duas passagens é aproximadamente 3,51 m².

Passo 18

Por fim, vamos calcular a área para um trocador de calor de fluxo cruzado, com uma única passagem e ambos os fluidos sem agitação.

Passo 19

Fluxos cruzados geralmente requerem mais área devido à menor eficiência na troca de calor. Usando um fator de ajuste de 1,5:
²²

Passo 20

A área necessária para um trocador de calor de fluxo cruzado é aproximadamente 3,51 m².

Resposta

a) 2,62 m²
b) 2,34 m²
c) 3,51 m²
d) 3,51 m²

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Você deve dimensionar o trocador de calor da unidade condensadora de um sistema de ar-condicionado. Esta unidade trabalha a uma pressão de 10 bar, na qual o gás R134a entra a e sai a . O calor específico do gás R134a a pressão constante é de . K . Do lado externo, o fluido disponível para troca de calor é o ar atmosférico a , cujo calor específico é de . K.
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O trocador de calor é do tipo Com estes dados, calcule:
a) A vazão mássica de R134a interna à tubulação necessária para o funcionamento do trocador na condição descrita, em kg/s.
b) A temperatura de saída do ar, em , após a troca de calor.
c) A capacidade térmica do ar atmosférico, em W/K.
d) A capacidade térmica do gás R134a, em W/K.
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f) A efetividade do trocador de calor nestas condições.
g) O NTU do trocador de calor nestas condições.
h) O coeficiente global de troca de calor do trocador de calor, em , considerando que suas paredes são finas a ponto de sua resistência térmica à condução ser desprezível.
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