Em um trocador de calor multitubular (TC-1.2), água (
) com coeficiente de convecção
passa pelo casco em passe único, enquanto que óleo (
) com coeficiente de convecção 114
dá dois passes pelos tubos. A água flui a
e é aquecida de
para
por óleo que entra a
e deixa o trocador a
. Considerando fator fuligem de 0,001 para a água e de 0,003 para o óleo, pede-se
b) A área de troca de calor necessária para o trocador.
b) A área de troca de calor necessária para o trocador.
Passo 1
Entendendo o problema e o que vamos precisar para resolver
Então, temos um trocador de calor multitubular onde água e óleo trocam calor. A água está passando pelo casco do trocador e o óleo está passando pelos tubos. Nosso objetivo aqui é descobrir qual a área necessária para essa troca de calor ocorrer de forma eficiente.
Conteúdo da matéria:
- Transferência de calor em trocadores
- Cálculo de área de troca de calor
- Propriedades termofísicas dos fluidos
- Fatores de fuligem que afetam a transferência de calor
O que vamos precisar:
- Propriedades dos fluidos: capacidade calorífica, coeficiente de convecção.
- Dados das temperaturas e fluxo de massa.
- Fatores de fuligem para ajustar a transferência de calor devido a sujeiras ou impurezas.
- Fórmulas de transferência de calor para calcular a área necessária.
Passo 2
Calculando a taxa de transferência de calor (Q) para a água e para o óleo
Primeiro, precisamos saber quanta energia está sendo transferida da água para o óleo. Usamos a fórmula:
Onde:
-
é a massa de fluido por unidade de tempo (kg/min) -
é a capacidade calorífica (kJ/kg.K) -
é a variação de temperatura (°C)
Para a água:
Convertendo a massa para kg/s para facilitar as unidades:
Calculando Q para a água:
Para o óleo:
Sabemos que a água ganha calor, então o óleo perde a mesma quantidade.
Sabemos que a água ganha calor, então o óleo perde a mesma quantidade.
Passo 3
Calculando a diferença de temperatura média logarítmica (ΔT<sub>lm</sub>)
A diferença de temperatura média logarítmica é essencial para determinar a eficiência da transferência de calor em trocadores. A fórmula é:
Onde:
-
e são as temperaturas de entrada e saída do fluido quente (óleo). -
e são as temperaturas de entrada e saída do fluido frio (água).
Dados:
- Óleo entra a
e sai a . - Água entra a
e sai a .
Aplicando na fórmula:
Passo 4
Calculando o número global de transferência de calor (U)
O número global de transferência de calor depende dos coeficientes de convecção dos dois fluidos e dos fatores de fuligem.
A fórmula é:
Onde:
-
-
-
é a resistência de fuligem total, calculada como
Calculando
:
Passo 5
Calculando a área de troca de calor necessária (A)
Agora que temos
,
e
, podemos usar a fórmula da transferência de calor:
Rearranjando para encontrar
:
Substituindo os valores:
Resposta
A área de troca de calor necessária para o trocador é aproximadamente 17,47 m².