Um trocador de calor de fluxo cruzado é composto por 1200 tubos em uma disposição de 40x30 tubos. Cada tubo possui 2,0 m de comprimento e 70 mm de diâmetro, com paredes finas. O fluido quente, que passa internamente aos tubos, é vapor saturado, que condensa a aproximadamente 400 K . O coeficiente de troca de calor por convecção do vapor é muito maior do que o coeficiente de troca de calor por convecção do ar, que flui do lado externo dos tubos e pode ser aproximado por ho=56,8 W / m^2 cdot K.
Sabendo que o ar entra no trocador de calor a uma taxa de 120 kg / s e a uma temperatura de 300 K , e seu calor específico pode ser aproximado por cp=1000 J / kg cdot K, calcule:
a) O coeficiente global de troca de calor deste trocador em W / m^2.
b) O NTU deste trocador de calor.
c) A efetividade deste trocador de calor.
d) A temperatura de saída do ar que refrigera os tubos, em K .

Passo 1

Beleza, vamos dar uma olhada no que o exercício está pedindo. Temos um trocador de calor de fluxo cruzado com várias características específicas. A matéria envolvida aqui é transferência de calor em trocadores de calor, e para resolver essa parte do exercício (a), vamos precisar calcular o coeficiente global de troca de calor. Para isso, vamos usar algumas fórmulas básicas de transferência de calor e entender como os coeficientes de convecção internos e externos influenciam no coeficiente global.

Passo 2

Primeiro, vamos identificar os coeficientes de transferência de calor disponíveis. O exercício nos diz que o coeficiente de troca de calor por convecção do vapor dentro dos tubos é muito maior que o do ar externo, que é dado por . Como (o coeficiente interno) é muito grande, podemos considerar que é praticamente zero.

Passo 3

O coeficiente global de troca de calor 1U = 1hi + 1ho para troca de calor por convecção pode ser calculado pela fórmula:
1U approx 1ho
Como é quase zero, a equação simplifica para:

Passo 4

Agora, resolvendo para U approx ho :
U approx 56,8 , W/m^2cdotK
Substituindo o valor de :

Resposta

O coeficiente global de troca de calor deste trocador é aproximadamente .

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