Um trocador de calor de tubos concêntricos em correntes contrárias é utilizado em uma derivação cardiopulmonar, com o objetivo de resfriar o sangue de
para
. O objetivo deste processo é induzir hipotermia e consequentemente o metabolismo e as necessidades de oxigênio.
sangue escoa a uma vazão de
no tubo interno, contrapondo um escoamento de água, que entra a
e sai a
no tubo externo. Sabendo que esta configuração fornece um coeficiente global de troca de calor de 750 W/m²
, determine a vazão de água e a área necessária para troca de calor. As propriedades médias do sangue são
e
. As propriedades médias da água são
e
.
Passo 1
Beleza, vamos lá! Temos um exercício sobre trocador de calor de tubos concêntricos em correntes contrárias. A ideia é resfriar o sangue de 37°C para 25°C usando água que entra a 5°C e sai a 30°C. Precisamos calcular duas coisas: a vazão de água e a área necessária para a troca de calor. Para resolver isso, vamos usar conceitos de transferência de calor e balanço de energia.
Passo 2
Primeiro, vamos calcular a taxa de transferência de calor que o sangue vai perder para a água. A fórmula que a gente usa aqui é:
Onde:
-
é a taxa de transferência de calor (em watts, W) -
é a vazão mássica do sangue (em kg/s) -
é a capacidade calorífica específica do sangue -
é a variação de temperatura do sangue
Passo 3
Vamos encontrar a vazão mássica do sangue. Sabemos que a vazão volumétrica é 5 L/min. Primeiramente, convertendo para m³/s:
Agora, multiplicamos pela densidade do sangue (
):
Passo 4
Agora, calculamos a taxa de transferência de calor
usando a fórmula do Passo 2:
Passo 5
Vamos calcular a vazão de água necessária para absorver esse calor. Usamos a mesma fórmula de transferência de calor, mas agora para a água:
Sabemos que:
Rearranjando para encontrar
:
Convertendo para vazão volumétrica usando a densidade da água (
):
Convertendo para litros por minuto:
Passo 6
Agora, vamos determinar a área necessária para a troca de calor. A fórmula usada é:
Onde:
-
é o coeficiente global de troca de calor (750 W/m²K) -
é a área de troca de calor -
é a diferença de temperatura média logarítmica
Primeiro, calculamos
para fluxos contrários:
Agora, rearranjamos para encontrar
:
Resposta
A vazão de água necessária é de aproximadamente 226,2 litros por minuto e a área necessária para a troca de calor é de cerca de 42,4 metros quadrados.
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Dois tanques com água a
são conectados por um tubo capilar de 4 mm de diâmetro e
de comprimento. A superfície do tanque 1 está 30 cm acima da superfície do tanque 2. (a) Estime a vazão em
. O escoamento é laminar? (b) Para que diâmetro de tubo Red será igual a 500? DADOS:
Um tubo circular, com diâmetro externo de 25 mm , é colocado em uma corrente de ar a
e 1 atm de pressão. O ar está em escoamento cruzado em relação ao tubo com uma velocidade de
, enquanto a superfície externa do tubo é mantida a
C. A) Determinar o coeficiente convectivo local médio. B) Determinar a taxa de transferência de calor saindo do tubo por unidade de comprimento.
A superfície de uma placa de aço de
é mantida a uma temperatura de
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.