Num trocador de calor de tubos concêntricos e correntes paralelas, água fria entra pelo tubo interno a e a uma vazão de . Óleo quente entra a , e escoa a uma taxa de , através do espaço anular entre os tubos.
O tubo interno tem um diâmetro interno igual a e espessura igual a . O tubo externo tem diâmetro igual a . O comprimento dos tubos é igual a e a condutividade térmica dos tubos vale . As propriedades da água são dadas por: , , , , . Determine:
O coeficiente de troca de calor interno, considerando escoamento desenvolvido.
O coeficiente global de troca de calor baseado na área interna do tubo interno, considerando que o coeficiente de troca de calor externo do tubo vale .
A efetividade do trocador de calor.
A taxa de transferência de trocador entre os fluidos e a temperatura de saída da água.
Passo 1
O coeficiente de troca de calor interno, considerando escoamento desenvolvido.
Para a convecção interna, o número de Reynolds será dado por:
Assim, calculamos o número de Nusselt pela correlação de escoamento turbulento e plenamente desenvolvido:
Dessa forma, o coeficiente convectivo interno será:
Passo 2
O coeficiente global de troca de calor baseado na área interna do tubo interno, considerando que o coeficiente de troca de calor externo do tubo vale .
Como não estamos considerando fatores de deposição no nosso trocador e ele não possui aletas, podemos calcular o coeficiente global de transferência de calor dessa forma:
No nosso caso, estamos interessados em calcular o coeficiente global em relação à superfície interna, logo:
Como temos uma superfície cilíndrica, a resistência térmica de condução será, substituindo os valores:
Substituindo todos os valores na expressão do coeficiente global, vamos encontrar o seguinte:
Onde e .
Passo 3
A efetividade do trocador de calor.
Como estamos trabalhando com um caso de trocador de calor duplo com escoamento paralelo, a efetividade é dada por:
Onde e são dados por:
Onde as taxas de capacidade térmica são dadas por:
Dessa forma:
Assim, a efetividade será:
Passo 4
A taxa de transferência de trocador entre os fluidos e a temperatura de saída da água.
Podemos usar a efetividade pra calcular a taxa de transferência de calor da seguinte forma:
Passo 5
A temperatura de saída da água pode ser calculada da seguinte forma:
Resposta
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