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).
Exercícios relacionados
Utilizando Álgebra tensorial, calcular os resultados das operações a seguir em coordenadas cartesianas.
Um trocador de calor de casco e tubo opera com dois passes no casco e quatro passes nos tubos. 0 fluido do casco é etileno glicol, que entra a
e sai a
, com vazão de
. Água escoa pelo interior dos tubos entrando a
e saindo a
. Calcule a vazão de água necessária e a área do trocador de calor. O coeficiente global de transferência de calor para este arranjo é
médio do etileno glicol é de
da água para estas condições é de
). (R: 3.540
e
).
O condensador de uma instalação de refrigeração é um trocador de calor no qual ocorre a condensação do refrigerante. Considere que o condensador é um trocador de calor casco e tubos, com um único casco e 30.000 tubos, cada um efetuando dois passes. Os tubos possuem parede delgada e diâmetro
, e o vapor condensa sobre a superfície externa dos tubos, com um coeficiente global de transferência de calor de
. A taxa de transferência de calor que deve ser efetivada é de q
, e isto é atingido pela passagem de água de resfriamento através dos tubos a uma vazão de 3 x
. A água entra nos tubos a
, enquanto o vapor condensa a uma temperatura de
. Qual é a temperatura da água de resfriamento na saída do condensador? Qual deve ser o comprimento L por passe dos tubos?
da água é de aproximadamente
.
Um jato de ar de 10 mm de diâmetro, horizontal e com simetria axial, atinge um disco estacionário vertical com 200 mm de diâmetro. A velocidade do jato é de
na saída do bocal. Um manômetro está conectado ao centro do disco. Calcule (a) a deflexão,
, se o líquido do manômetro tem densidade relativa
a força exercida pelo jato sobre o disco.