As temperaturas de entrada quente e fria em um trocador de calor bitubular são
e
, respectivamente. As temperaturas de saída são
e
. O trocador de calor está operando em uma configuração paralela ou contracorrente? Qual é a efetividade do trocador de calor? Qual é o NUT? Não há mudança de fase nos dois fluidos.
Passo 1
Beleza, vamos dar uma olhada no que a questão está pedindo. Temos um trocador de calor bitubular com temperaturas de entrada e saída para os fluidos quente e frio. Precisamos descobrir:
- Se o trocador está operando em configuração paralela ou contracorrente.
- A efetividade do trocador de calor.
- O Número de Unidades de Transferência (NUT).
Para resolver isso, vamos precisar entender como funcionam os trocadores de calor, as diferenças entre as configurações paralela e contracorrente, e como calcular a efetividade e o NUT usando a metodologia de efetividade-NTU.
Passo 2
Primeiro, vamos identificar qual configuração o trocador está usando: paralela ou contracorrente. Para isso, vamos analisar as temperaturas de saída dos fluidos.
No trocador paralelo, ambos os fluidos fluem na mesma direção. No contracorrente, eles fluem em direções opostas.
Dado que:
- Temperatura de saída do fluxo quente
- Temperatura de saída do fluxo frio
Observamos que a temperatura de saída do fluido frio é maior que a do fluido quente, o que só é possível em uma configuração contracorrente, pois permite que o fluido frio seja aquecido até uma temperatura maior que a do fluido quente na parte oposta do trocador.
Passo 3
Agora, vamos calcular a efetividade do trocador de calor. A efetividade (
) é uma medida de quão bem o trocador de calor está transferindo calor em relação ao máximo possível.
A fórmula geral para a efetividade em um trocador contracorrente é:
Onde:
-
é a temperatura de saída do fluido frio. -
é a temperatura de entrada do fluido frio. -
é a temperatura de entrada do fluido quente.
Vamos substituir os valores:
Passo 4
Por último, vamos calcular o Número de Unidades de Transferência (NUT), que é uma medida de quão eficaz é o trocador de calor em termos de área de transferência de calor. A relação entre efetividade e NUT depende do tipo de configuração.
Para um trocador contracorrente, a relação é dada por:
Onde
é a razão das capacidades térmicas (
).
Entretanto, como não temos informações sobre as capacidades térmicas aqui, podemos usar uma simplificação quando
(ou seja, quando as capacidades térmicas dos dois fluxos são iguais). Neste caso, a fórmula se simplifica para:
Resolvendo para
:
Resposta
- O trocador de calor está operando em configuração contracorrente.
- A efetividade do trocador de calor é de 25%.
- O Número de Unidades de Transferência (NUT) é aproximadamente 0,333.
Exercícios relacionados
(b) O coeficiente de transferência de calor médio
Um trocador de calor casco e tubos, com um passe no casco e dois passes nos tubos, é usado para transferir calor de uma solução de etilenoglicol-água (lado do casco), vinda de um coletor solar instalado no telhado, para água pura (lado dos tubos) usada em atividades domésticas. Os tubos possuem diâmetros interno e externo de
e
, respectivamente. Cada um dos 100 tubos tem
de comprimento (
por passe), e o coeficiente de transferência de calor associado à mistura etilenoglicol-água é de
.
a) Para tubos de cobre puro, calcule a taxa de transferência de calor da solução de etilenoglicol-água ( ) para a água pura (
,
). Determine as temperaturas de saída das duas correntes de fluidos.
b) Propõe-se substituir a matriz tubular de cobre por uma matriz composta por tubos de náilon resistente a altas temperaturas com os mesmos diâmetro e espessura de parede. O náilon é caracterizado por uma condutividade térmica de .
Determine o comprimento dos tubos necessário para transferir a mesma quantidade de energia do item (a).
a) Para tubos de cobre puro, calcule a taxa de transferência de calor da solução de etilenoglicol-água (
b) Propõe-se substituir a matriz tubular de cobre por uma matriz composta por tubos de náilon resistente a altas temperaturas com os mesmos diâmetro e espessura de parede. O náilon é caracterizado por uma condutividade térmica de
Determine o comprimento dos tubos necessário para transferir a mesma quantidade de energia do item (a).
Água é usada nas duas correntes que escoam através de um trocador de calor com escoamentos cruzados (não misturados) e um único passe. A água quente entra a
e
, enquanto a água fria entra a
e
. Sendo a efetividade do trocador igual a
, determine a temperaturas de saída da água fria e da água quente, e a área da superfície de transferência de calor. O coeficiente global de transferência de calor é igual a
.