Um trocador de calor bitubular com configuração contracorrente é utilizado para o processamento de um fluido farmacêutico. O produto farmacêutico escoa pela tubulação interna ( ) com uma vazão mássica de , e com uma temperatura de entrada de . Água escoa na região anular ( ) entre os tubos com uma vazão mássica de e com uma temperatura de entrada de e temperatura de saída de . A tubulação encontra-se termicamente isolada e tem um comprimento . Determine com as respectivas unidades:
(g) Coeficiente global de transferência de calor .
Considere: Propriedades da Água: ; . Propriedades do produto farmacêutico:

Passo 1

Beleza, vamos lá! O enunciado fala sobre um trocador de calor bitubular em contracorrente usado para processar um fluido farmacêutico. Precisamos encontrar o coeficiente global de transferência de calor ( ). Para isso, vamos usar conceitos de transferência de calor em trocadores, como balanço de energia e cálculo das resistências térmicas.

Passo 2

Primeiro, vamos identificar as informações dadas:
  • Fluído farmacêutico (interno):
    • Diâmetro interno ( ) = 12 mm = 0,012 m
    • Vazão mássica ( ) = 0,1 kg/s
    • Temperatura de entrada ( ) = 20°C
  • Água (anular externo):
    • Diâmetro externo ( ) = 48 mm = 0,048 m
    • Vazão mássica ( ) = 0,01 kg/s
    • Temperatura de entrada ( ) = 60°C
    • Temperatura de saída ( ) = 30°C
  • Outros dados:
    • Comprimento ( ) = 3 m
    • Propriedades da água e do fluido farmacêutico são fornecidas.

Passo 3

Vamos usar a equação de balanço de energia para trocadores de calor:
Onde:
  • é a taxa de transferência de calor
  • é o coeficiente global de transferência de calor
  • é a área de troca térmica
  • é a diferença de temperatura logarítmica média
Nosso objetivo é encontrar , então vamos reorganizar a equação:

Passo 4

Primeiro, precisamos calcular , a taxa de transferência de calor. Podemos usar a equação:
Vamos calcular para o fluido farmacêutico e para a água e igualar, já que em ideal há conservação de energia.
Para o fluido farmacêutico:
Mas notamos que não está dado. Vamos usar a água para encontrar .
Para a água:
Então,

Passo 5

Agora, vamos calcular a área de troca térmica . Em um trocador de calor bitubular, a área é dada por:
Onde:
  • é o diâmetro interno do tubo interno
  • é o comprimento

Passo 6

Agora, vamos calcular a diferença de temperatura logarítmica média ( ). Em contracorrente, a fórmula é:
Mas como não temos , vamos supor que o fluido farmacêutico troca toda a energia disponível com a água, mantendo a conservação de energia. Então, podemos relacionar as temperaturas.
Vamos rearranjar para encontrar :
Agora, calculamos :

Passo 7

Agora que temos , e , podemos encontrar :

Resposta

O coeficiente global de transferência de calor é aproximadamente 558 W/m²·K.

Exercícios relacionados

Um trocador de calor bitubular com configuração contracorrente é utilizado para o processamento de um fluido farmacêutico. O produto farmacêutico escoa pela tubulação interna ( ) com uma vazão mássica de , e com uma temperatura de entrada de . Água escoa na região anular ( ) entre os tubos com uma vazão mássica de e com uma temperatura de entrada de e temperatura de saída de . A tubulação encontra-se termicamente isolada e tem um comprimento . Determine com as respectivas unidades:
(e) Coeficiente convectivo do produto farmacêutico.
Um trocador de calor bitubular com configuração contracorrente é utilizado para o processamento de um fluido farmacêutico. O produto farmacêutico escoa pela tubulação interna ( ) com uma vazão mássica de , e com uma temperatura de entrada de . Água escoa na região anular ( ) entre os tubos com uma vazão mássica de e com uma temperatura de entrada de e temperatura de saída de . A tubulação encontra-se termicamente isolada e tem um comprimento . Determine com as respectivas unidades:
(d) Média logarítmica da temperatura indicando e explicando e .
Água a escoa sobre uma superfície plana, de de comprimento e de largura, mantida a . A velocidade da corrente livre é igual a . Determine: a) o coeficiente convectivo global;
a escoa sobre uma superfície plana, de de comprimento e de largura, mantida a . velocidade da corrente livre é igual a . Determine: b) as espessuras da camada limite fluidodinâmica e térmica na posição . (Considere )