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*.
a) (1,0) Fluxo paralelo
b)
c)
d)
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
:
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
:
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:
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:
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
b) 2,34 m²
c) 3,51 m²
d) 3,51 m²
Exercícios relacionados
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.
O sistema trabalha de forma que se deseja dissipar 2 kW de calor. Assim, o fluxo de ar externo é gerado por uma ventoinha, que consegue prover a vazão mássica de . Neste regime de operação, o coeficiente de troca de calor por conveç̧ão interno à tubulação é de
, enquanto o externo é de
.
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.
e) O limite teórico máximo de troca de calor neste processo, em W.
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.
i) A área necessária de troca de calor para este trocador de calor.
j) O volume final do trocador de calor, em , sabendo que a sua razão entre área de troca de calor e volume é de
.
O sistema trabalha de forma que se deseja dissipar 2 kW de calor. Assim, o fluxo de ar externo é gerado por uma ventoinha, que consegue prover a vazão mássica de
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
c) A capacidade térmica do ar atmosférico, em W/K.
d) A capacidade térmica do gás R134a, em W/K.
e) O limite teórico máximo de troca de calor neste processo, em W.
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
i) A área necessária de troca de calor para este trocador de calor.
j) O volume final do trocador de calor, em
Uma lama de talco contém
em massa de água.
da água é removida por filtração e secagem, o que faz reduzir a massa de lama em
. Calcule:
a) A massa original da lama. R: 120 kg .
a) A massa original da lama. R: 120 kg .
Uma mistura de acetona e água contém
molar de acetona. A mistura deve ser parcialmente evaporada para produzir um vapor com
molar de acetona e deixar um líquido residual com 18,7% molar de acetona. Suponha que o processo é para ser conduzido continuamente e no estado estacionário com uma vazão de alimentação de
. Sendo n் e
as vazões das correntes de produtos vapor e líquido, respectivamente, desenhe e rotule um fluxograma de processo e, ao fim, escreva e resolva balanços em mols totais e de acetona para determinar os valores de n் e e n். . Para cada balanço, indique quais termos na equação de balanço geral (acúmulo = entrada + geração - saída - consumo) podem ser descartados e por quê. R: ǹ்v =
e n்
. O fluxograma e a análise dos termos dos balanços são por conta do (a) discente.