Querosene é aquecido por água quente em um trocador de calor casco-tubo. O querosene circula dentro dos tubos e a água no lado externo deles. O fluxo se dá em contracorrente. A temperatura média do querosene é de
e a velocidade média linear de
. A condutividade térmica do querosene a
é
. Os tubos são de cobre BWG 16 de
. Os coeficientes de transferência de calor no tubo e no casco são, respectivamente,
. Calcule o coeficiente global de transferência de calor baseado na área externa do trocador.
Passo 1
Então, vamos lá! A gente tem um exercício sobre transferência de calor em um trocador de calor casco-tubo. A ideia é calcular o coeficiente global de transferência de calor baseado na área externa do trocador. Para isso, vamos precisar entender conceitos de condutividade térmica e coeficientes de transferência de calor tanto no tubo quanto no casco. Vamos usar fórmulas que relacionam essas propriedades para encontrar o valor que a gente precisa.
Passo 2
Primeiro, vamos lembrar que o coeficiente global de transferência de calor,
, é influenciado por três resistências térmicas principais:
- Resistência pela convecção no interior dos tubos (
) - Resistência pela condução através da parede do tubo (
) - Resistência pela convecção no exterior dos tubos (
)
Aqui:
-
é o coeficiente de transferência de calor no interior do tubo (tubo-side) -
é o coeficiente de transferência de calor no exterior do tubo (casco-side) -
é a espessura da parede do tubo -
é a condutividade térmica do material da parede do tubo
A fórmula para o coeficiente global de transferência de calor é:
Passo 3
Vamos identificar e converter os dados fornecidos para as unidades consistentes. Temos:
- Coeficiente de transferência no tubo,
- Coeficiente de transferência no casco,
- Condutividade térmica do cobre,
- Diâmetro do tubo,
. Vamos converter para pés: - Espessura da parede do tubo: Para o calibre BWG 16, a espessura é aproximadamente 0,065 polegadas. Convertendo para pés:
Passo 4
Agora, vamos calcular cada uma das resistências térmicas:
- Resistência pela convecção no interior dos tubos:
- Resistência pela condução através da parede do tubo:
- Resistência pela convecção no exterior dos tubos:
Passo 5
Agora, somamos todas essas resistências para encontrar
:
Para encontrar o coeficiente global de transferência de calor
, fazemos o inverso:
Resposta
O coeficiente global de transferência de calor baseado na área externa do trocador é aproximadamente 14,7 Btu·ft⁻²·h⁻¹·°F⁻¹.