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 ( 1U = 1hi + de) 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 NuD = 0.023 , Re^0.8 , Pr^n e NuST = 0.027 , Re^0.8 , Pr^1/3 ( mumuw )^0.14 , 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:
  1. Correlação de Dittus-Boelter:
    • Usada para fluxo turbulento em tubos lisos.
    • Fórmula: NuG = (f/8)(Re - 1000) , Pr1 + 12.7 raizf/8 ( Pr^2/3 - 1 ) Onde para aquecimento e para resfriamento.
    • Aqui, é o número de Nusselt, é o número de Reynolds e é o número de Prandtl.
  2. 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.
  3. 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 Re = rho v Dmu e Pr = cp muk usando essas correlações, seguimos os seguintes passos:
  1. Calcular o número de Reynolds ( h = Nu cdot kD ):
    Onde é a densidade do fluido, é a velocidade, é o diâmetro hidráulico e é a viscosidade.
  2. Calcular o número de Prandtl ( ):
    Onde é a capacidade térmica, é a viscosidade e é a condutividade térmica.
  3. Escolher a correlação adequada com base no regime de fluxo e nas condições do fluido.
  4. Calcular o número de Nusselt ( ) usando a correlação escolhida.
  5. Determinar a partir de :

Resposta

As principais correlações usadas para calcular o coeficiente global de transferência de calor em trocadores de calor são:
  1. Correlação de Dittus-Boelter: Para fluxo turbulento em tubos lisos.
  2. Correlação de Sieder-Tate: Considera variação da viscosidade com a temperatura, sendo mais precisa para certas condições.
  3. 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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