Projeto de Trocador de Calor Tubos Gêmeos N2 - Dimensionamento e Análise

PROJETO DE TROCADOR DE CALOR Um trocador de calor de tubos geminados com escoamento em contracorrente opera com vazões iguais de 0003 kgs nas correntes de gás quente e de gás frio A corrente fria entra a 250 K e deve ser aquecida até 300 K utilizando o ar quente disponível a 350 K A pressão média das correntes de gás é 1 atm e a queda de pressão máxima permissível na linha de gás frio é de β kPa Pode ser considerado que as paredes dos tubos atuam como aletas cada uma com uma eficiência de 100 gás a ser utilizado N2 O valor β da queda de pressão máxima permissível na linha de gás frio é 13 kpa a Determine o diâmetro D e o comprimento L dos tubos que satisfazem às exigências de transferência de calor e queda de pressão especificadas b Para o diâmetro D e o comprimento L determinados no item a gere gráficos da temperatura de saída da corrente fria da taxa de transferência de calor e da queda de pressão como funções das vazões iguais no intervalo de 0002 a 0004 kgs Comente os seus resultados PROJETO DE TROCADOR DE CALOR FLUIDO N2 Um trocador de calor de tubos geminados com escoamento em contracorrente opera com vazões iguais de 0003 kgs nas correntes de gás quente e de gás frio A corrente fria entra a 250 K e deve ser aquecida até 300 K utilizando o ar quente disponível a 350 K A pressão média das correntes de gás é 1 atm e a queda de pressão máxima permissível na linha de gás frio é de β kPa Pode ser considerado que as paredes dos tubos atuam como aletas cada uma com uma eficiência de 100 gás a ser utilizado N2 O valor β da queda de pressão máxima permissível na linha de gás frio é 13 kpa a Determine o diâmetro D e o comprimento L dos tubos que satisfazem às exigências de transferência de calor e queda de pressão especificadas b Para o diâmetro D e o comprimento L determinados no item a gere gráficos da temperatura de saída da corrente fria da taxa de transferência de calor e da queda de pressão como funções das vazões iguais no intervalo de 0002 a 0004 kgs Comente os seus resultados PREMISSAS Condições de estado estacionário Perda de calor insignificante para o ambiente A pressão média das correntes de ar é de 1 atm As paredes do tubo atuam como aletas com 100 de eficiência Escoamento totalmente desenvolvido PROPRIEDADES Tabela A4 N2 Tm 300 K 1 atm ρ 11233 kgm³ cp 1041 kJkgK ν 1586 106 m²s μ 1782 107 Nsm² k 259 10³ Wm K Pr 0716 ANÁLISE a O diâmetro do trocador de calor D e o comprimento L podem ser especificados por meio de duas análises transferência de calor com base no método de eficáciaNTU para atender ao requisito de aquecimento de ar frio e cálculo da queda de pressão para atender ao requisito de 9 kPa A análise de transferência de calor começa determinando a eficácia da Eq 1122 já que Cmin Cmax e Cr 1 ε300250 35025005 Da Tabela 114 Eq 1129b para Cr 1 NTU 05 1051 Onde NTU seguindo sua definição Eq 1125 é com 0003 kg s 1041 J kgK 3123 W K e 1UA representa a resistência térmica entre os dois fluidos em Tmh e Tmc conforme ilustrado no esquema acima à direita Como as paredes do tubo são isotérmicas seguese que e como as condições de fluxo são quase idênticas hc hh de modo que onde a área de transferência de calor é Portanto a Eq 1125 agora pode ser expressa como 105hπDL 3123 W K hDL1988 Assumindo uma temperatura média Tmc 300 K caracterize o fluxo com ReD 4m πDμ 40003 π D178210 7214 35 D E assumindo que o fluxo é turbulento e totalmente desenvolvido usando a correlação de DittusBoelter a Eq 857 com n 04 NuDhD002590023 21435 D 0 8 0716 0 4 h D 18002590023214 35 080716 0 4 h D 18003818 A queda de pressão para fluxo totalmente desenvolvido Eq 822a é onde a velocidade média é um mρπD²4 de modo que pf ρ 4 m ρπ D 2 2 L 2 D 8 π 2 f m 2L ρ D 5 Lembrese de que o requisito de queda de pressão é p 13 kPa 13 103 Nm² de modo que a Eq 12 pode ser reescrita como fL D 513000π 211233 80003 2 20110 9 Para o intervalo de números de Reynolds 3000 ReD 5 106 Eq 821 fornece uma estimativa para o fator de atrito Na análise anterior existem 4 incógnitas D L f h e 4 equações Usando o espaço de trabalho do EESCengel ou ITHIncropera ou ITShapiro encontre D 0006368 m 6368 mm f 002299 h 3426 Wm²K L 09115 m ReD 33662 LD 1431 Para esta configuração ReD 33662 portanto o fluxo é turbulento e como LD 091150006368 1431 10 a suposição totalmente desenvolvida é razoável b A análise anterior inserida no espaço de trabalho do EESCengel ou ITHIncropera ou ITShapiro foi usada para determinar Tco q e P como uma função da taxa de fluxo balanceada A temperatura de saída do ar frio Tco é quase insensível à vazão Seguese que a taxa de calor q deve ser quase proporcional à taxa de fluxo como pode ser visto no gráfico q vs m acima A queda de pressão varia com a velocidade média ao quadrado