Um trocador de calor de calor de escoamentos cruzados e tubos aletados deve usar o gás de exaustão de uma turbina a gás para aquecer água pressurizada. Medidas em laboratório são efetuadas em uma versão protótipo do trocador, com área superficial de
, para determinar o coeficiente global de transferência de calor como função das condições operacionais. Medidas efetuadas sob condições particulares, nas quais
e
, revelam uma temperatura de saída da água a
. Qual é o valor do coeficiente global de transferência de calor do trocador? (
.
Passo 1
Beleza, vamos entender o que tá acontecendo nessa questão. Temos um trocador de calor de escoamentos cruzados com tubos aletados que está usando o gás de exaustão de uma turbina a gás para aquecer água pressurizada. A gente quer descobrir o coeficiente global de transferência de calor desse trocador. Para isso, vamos precisar usar conceitos de termodinâmica e transferência de calor, além de algumas fórmulas matemáticas básicas. Vamos lá!
Passo 2
Primeiro, vamos identificar os dados que a gente tem:
- Área superficial do trocador (A): 10 m²
- Massa do gás de exaustão (m_q): 2 kg/s
- Temperatura de entrada do gás (T_q,e): 325°C
- Massa da água (m_f): 2 kg/s
- Temperatura de entrada da água (T_f,e): 25°C
- Temperatura de saída da água (T_f,s): 150°C
- Calor específico do gás (C_e,q): 2500 J/(kg·°C)
- Calor específico da água (C_e,f): 4290 J/(kg·°C)
Passo 3
Vamos calcular as capacidade térmica de cada fluido. A capacidade térmica © é dada por:
Onde:
-
é a massa do fluido -
é o calor específico
Para o gás de exaustão:
Para a água:
Passo 4
A transferência de calor (
) pode ser calculada usando a capacidade térmica do fluido com a menor capacidade (limitação), que neste caso é o gás de exaustão (
).
A variação de temperatura da água é:
Então, a transferência de calor é:
Passo 5
Agora, precisamos calcular a Diferença de Temperatura Média Logarítmica (ΔT_lm) para usar na fórmula da transferência de calor:
Mas para simplificar, vamos assumir que a mudança de temperatura do gás é pequena comparada à da água, então podemos aproximar a ΔT_lm. Contudo, como não temos a temperatura de saída do gás (
), faremos uma simplificação para encontrar
:
Passo 6
Agora, usamos a fórmula da transferência de calor para encontrar o coeficiente global de transferência de calor (h):
Rearranjando para encontrar
:
Resposta
O coeficiente global de transferência de calor do trocador é aproximadamente 263,16 W/(m²·°C).