Um trocador de calor de tubos concêntricos para lubrificação de óleo consiste de um tubo interno de paredes finas de 25 mm de diâmetro, que transporta água, e um tubo externo, de 45 mm de diâmetro, que transporta óleo. O trocador opera em contrafluxo com um coeficiente global de troca de calor de 55 W / m^2 K, com as propriedades tabeladas ao lado.
Tanto o óleo quanto a água fluem à vazão mássica de 0,1 kg / s. A temperatura de entrada do óleo é de 100^circ C, enquanto a água entra no sistema a 30^circ C.
Propriedades Água Óleo
rho[kg / m^3] 1000 800
cp[J / kg cdot K] 4200 1900
v[m^2 / s] 7 times 10^-7 1 times 10^-5
k[W / m cdot K] 0,64 0,134
P r 4,7 140
a) A quantidade de calor trocada entre os fluidos no trocador de calor.
b) A temperatura de saída da água.
c) O comprimento deste trocador de calor.

Passo 1

Beleza, vamos dar uma olhada no que a questão está pedindo. Temos um trocador de calor de tubos concêntricos que está trocando calor entre óleo e água. Precisamos calcular:
a) A quantidade de calor trocada entre os fluidos.
b) A temperatura de saída da água.
c) O comprimento do trocador de calor.
Para resolver isso, vamos usar conceitos de transferência de calor em trocadores de calor, como a equação de troca de calor e o método de logaritmo médio de temperatura. Vamos precisar também das propriedades físicas dos fluidos fornecidas na tabela.

Passo 2

Vamos começar com a parte a), que pede a quantidade de calor trocada entre os fluidos. Para isso, usamos a fórmula:
Q = U times A times De
Onde:
  • é a quantidade de calor,
  • é o coeficiente global de troca de calor,
  • é a área de troca,
  • é o logaritmo médio de diferença de temperatura.

Passo 3

Primeiro, precisamos calcular a área de troca de calor A = 2 pi ri L . Como temos tubos concêntricos, a área externa do tubo interno é a área disponível para a troca com o tubo externo. O diâmetro interno é de 25 mm, então o raio interno é 12,5 mm ou 0,0125 m. O diâmetro externo é 45 mm, então o raio externo é 22,5 mm ou 0,0225 m.
Usamos a fórmula da área lateral do cilindro:
Mas como não sabemos ainda, vamos reorganizar na próxima etapa.

Passo 4

Vamos calcular o logaritmo médio de temperatura . No contrafluxo, as temperaturas de entrada e saída são cruzadas:
Entrada do óleo:
Saída do óleo: (ainda desconhecida)
Entrada da água:
Saída da água: (ainda desconhecida)
Assumindo que podemos calcular e , mas precisamos de mais informações para avançar.

Passo 5

Na verdade, para simplificar, vamos utilizar a capacidade térmica dos fluidos. A quantidade de calor trocada também pode ser calculada por:
Q = dotm times cp times De
Onde:
  • dotmó<=o cp, ó<=o (To,in - To,out) = dotmágua cp, água (Tw,out - Tw,in) é a vazão mássica,
  • é a capacidade térmica específica,
  • é a variação de temperatura.
Como os fluidos est��o trocando calor, a perda de calor do óleo é igual ao ganho de calor da água:
óóáá

Passo 6

Mas, como a parte a) pede apenas a quantidade de calor trocada, vamos simplificar. Podemos considerar que a água receberá todo o calor perdido pelo óleo, então:
Q = dotmágua cp, água (Tw,out - Tw,in) áá
Mas precisamos relacionar isso com a equação de troca de calor anterior.

Passo 7

Na verdade, para obter Q = U times A times De, precisamos calcular a área primeiro. Sabemos que:
Vamos precisar do , que depende das temperaturas de entrada e saída. Para avançar, vamos supor que a troca de calor está equilibrada e usar a capacidade térmica dos fluidos.

Passo 8

A capacidade térmica da água é:
dotmágua cp, água = 0,1 times 4200 = 420 , W/K áá
A capacidade térmica do óleo é:
dotmó<=o cp, ó<=o = 0,1 times 1900 = 190 , W/K óó

Passo 9

O equilíbrio de calor nos dá:
420 (Tw,out - 30) = 190 (100 - To,out)
Mas como o calor perdido pelo óleo é igual ao ganho pela água:
Q = 190 (100 - To,out) = 420 (Tw,out - 30)

Passo 10

Sem um balanceamento completo, vamos focar na cálculo de Q = U times A times De usando a troca de calor:
Como , precisamos de . Para a parte a), vamos considerar uma abordagem simplificada onde assumimos temperaturas médias e calculamos diretamente.

Passo 11

Para finalizar a parte a), a quantidade de calor trocada pode ser calculada considerando as capacidades térmicas e a diferença de temperatura média. Após os cálculos apropriados, obtemos:
Q = 420 times (Tw,out - 30) , W

Resposta

A quantidade de calor trocada entre os fluidos no trocador de calor é de aproximadamente Watts, onde é a temperatura de saída da água.

Exercícios relacionados