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:
  1. 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.
  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 e usando essas correlações, seguimos os seguintes passos:
  1. Calcular o número de Reynolds ( ):
    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.

Exercícios relacionados

Explique cada um dos termos da equação de balanço de energia térmica e mecânica. Existe algum fenômeno que não foi contabilizado nesta equação?
Qual é o impacto da eficiência do trocador de calor no LMTD?
Sobre o método da efetividade:
Explique a relação entre efetividade, número de unidades de transferência de calor (NTU), e a razão de capacidades térmicas.
Explique a diferença entre trocadores de calor compactos e convencionais.