Considere uma caldeira que queima gás na qual cinco serpentinas de cobre, com parede delgada, diâmetro de e de comprimento, estão submersas em água pressurizada a As paredes das serpentinas são riscadas e podem ser consideradas isotérmicas. Gases de combustão entram em cada serpentina com uma temperatura de e a uma vazão de , respectivamente.

(a) Determine a temperatura da parede da serpentina e a temperatura do gás na saída da serpentina, , para as condições especificadas. Como uma primeira aproximação, as propriedades dos gases de combustão podem ser consideradas iguais as do ar a .

(b) Com o passar do tempo os efeitos dos riscos diminuem, levando a um comportamento similar ao de superfícies polidas de cobre. Determine a temperatura da parede e a temperatura do gás na saída para estas condições.

Para resolver essa questão vamos assumir:

(1) Estado estacionário;

(2) Temperatura uniforme da parede do tubo;

(3) Ebulição de nucleados na superfície externa do tubo;

(4) Fluxo totalmente desenvolvido no tubo;

(5) O gás de combustão é ideal com dissipação viscosa desprezível e trabalho sob pressão;

(6) Propriedades constantes;

(7) Parede fina do tubo.

A partir de um balanço energético realizado para uma superfície de controle que limita o tubo, sabemos que a taxa de transferência de calor por convecção do gás para a superfície interna deve ser igual à taxa de transferência de calor devido à ebulição na superfície externa.

Então, o balanço energético de um único tubo é,

Onde e da Tabela 10.1. Então as incógnitas são: a temperatura da parede e a temperatura da saída do gás, , que são relacionadas por,

Para,

O fluxo é turbulento e com , gerando,

Substituindo os valores,

Juntando as equações do passo anterior temos,

e

Quando a superfície se degrada para se tornar semelhante a uma superfície polida, o valor de muda para . Repetindo os cálculos anteriores temos,

e