Quais são as principais correlações usadas para calcular o coeficiente global de transferência de calor em trocadores de calor?
Passo 1
Beleza, vamos entender o que a pergunta está pedindo. Queremos saber quais são as principais correlações usadas para calcular o coeficiente global de transferência de calor em trocadores de calor. Isso envolve conceitos de transferência de calor por condução e convecção. Para resolver, vamos precisar conhecer algumas fórmulas básicas de transferência de calor e entender como elas se aplicam em diferentes situações dentro de um trocador de calor.
Passo 2
Primeiro, é importante saber que o coeficiente global de transferência de calor (
) considera todas as resistências térmicas no caminho do calor, incluindo as camadas de fluido e as paredes do trocador. A fórmula geral para calcular
é:
Onde:
-
é o coeficiente de transferência de calor por convecção no interior do tubo. -
é o coeficiente de transferência de calor por convecção no exterior do tubo. -
é a espessura da parede do tubo. -
é a condutividade térmica da parede do tubo.
Passo 3
Para encontrar
e
, usamos correlações que relacionam o coeficiente de transferência de calor com características do fluxo, como velocidade, propriedades do fluido e dimensões do trocador. As principais correlações usadas são:
-
Correlação de Dittus-Boelter:
- Usada para fluxo turbulento em tubos lisos.
- Fórmula:
Onde para aquecimento e para resfriamento. - Aqui,
é o número de Nusselt, é o número de Reynolds e é o número de Prandtl.
-
Correlação de Sieder-Tate:
- Considera a variação da viscosidade com a temperatura, sendo mais precisa para aplicações onde a viscosidade muda significativamente.
- Fórmula:
Onde é a viscosidade do fluido e é a viscosidade na parede.
-
Correlação de Gnielinski:
- Aplicável para uma ampla faixa de números de Reynolds e Prandtl, proporcionando maior precisão.
- Fórmula:
Onde é o fator de atrito, que pode ser calculado usando a fórmula de Colebrook.
Passo 4
Para calcular
e
usando essas correlações, seguimos os seguintes passos:
-
Calcular o número de Reynolds (
): Ondeé a densidade do fluido, é a velocidade, é o diâmetro hidráulico e é a viscosidade. -
Calcular o número de Prandtl (
): Ondeé a capacidade térmica, é a viscosidade e é a condutividade térmica. -
Escolher a correlação adequada com base no regime de fluxo e nas condições do fluido.
-
Calcular o número de Nusselt (
) usando a correlação escolhida. -
Determinar
a partir de :
Resposta
As principais correlações usadas para calcular o coeficiente global de transferência de calor em trocadores de calor são:
- Correlação de Dittus-Boelter: Para fluxo turbulento em tubos lisos.
- Correlação de Sieder-Tate: Considera variação da viscosidade com a temperatura, sendo mais precisa para certas condições.
- Correlação de Gnielinski: Aplicável para uma ampla gama de números de Reynolds e Prandtl, oferecendo maior precisão.
Essas correlações permitem calcular os coeficientes de transferência de calor por convecção (
e
), que são essenciais para determinar o coeficiente global
no cálculo da transferência de calor em trocadores.
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