Lista Trocadores de Calor - Transferência de Calor 2

Exercicio 1 Trocador de calor tubo duplo em contracorrente Um trocador de calor do tipo tubo duplo opera em contracorrente para esfriar água quente utilizando etilenoglicol como fluido frio A água escoa pelo tubo interno e o etilenoglicol pelo espaço anular Dados geométricos Tubo interno diâmetro interno Di 25 mm diâmetro externo De 30 mm Tubo externo diâmetro interno Dexti 45 mm Comprimento do trocador L 6 m Material do tubo interno cobre ktubo 385 WmK Condições operacionais Água tubo interno vazão mássica ma 018 kgs temperatura de entrada Taent 85C Etilenoglicol ânulo vazão mássica meg 022 kgs temperatura de entrada Tegent 20C Propriedades dos fluidos avaliadas nas temperaturas médias estimadas Água a 70C ρ kgm3 cp JkgK k WmK μ Pas 9778 4190 0663 404 x 104 Etilenoglicol a 40C ρ kgm3 cp JkgK k WmK μ Pas 1101 2474 0261 939 x 103 Correlação para escoamento interno turbulento DittusBoelter NuD 0023 ReD08 Prn onde n 04 para aquecimento do fluido e n 03 para resfriamento Pedese a Calcular o coeficiente de transferência de calor por convecção no lado da água hi b Calcular o coeficiente de transferência de calor por convecção no lado do etilenoglicol hc utilizando o diâmetro hidráulico apropriado c Determinar o coeficiente global de transferência de calor U baseado na área interna do tubo d Utilizando o método LMTD calcular a taxa de transferência de calor Q e as temperaturas de saída de ambos os fluidos Exercício 2 Condensador de vapor Um condensador consiste em um tubo horizontal no qual vapor de água saturado condensa em sua superfície externa enquanto água de resfriamento escoa internamente O objetivo é determinar a taxa de condensação do sistema Dados geométricos Diâmetro interno do tubo Di 22 mm Diâmetro externo do tubo De 25 mm Comprimento do tubo L 25 m Material do tubo aço inox ktubo 15 WmK Fator de incrustação no lado interno Rfi 00002 m2KW Condições operacionais Vapor saturado externo pressão P 50 kPa Tsat 813C hfg 2305 kJkg Água de resfriamento interno vazão mássica ma 035 kgs temperatura de entrada Taent 18C Propriedades dos fluidos Água de resfriamento a 25C ρ kgm3 cp JkgK k WmK μ Pas 997 4180 0608 891 104 Condensado água líquida saturada a 81C ρl kgm3 cpl JkgK kl WmK μl Pas 971 4197 0675 343 104 Correlações a utilizar Escoamento interno turbulento DittusBoelter NuD 0023 ReD08 Pr04 Condensação em filme laminar sobre tubo horizontal Nusselt hcond 0729 ρlρl ρvg hfg k3l μ Tsat Ts De 14 onde hfg hfg 068 cplTsat Ts é a entalpia de vaporização modificada e Ts é a temperatura da superfície externa do tubo Considerar ρv ρl Pedese a Calcular o coeficiente de transferência de calor no lado da água de resfriamento hi b Utilizando processo iterativo determinar a temperatura da superfície externa do tubo Ts e o coeficiente de condensação hcond Sugestão iniciar com Ts 60C c Calcular o coeficiente global de transferência de calor Ui baseado na área interna incluindo o efeito da incrustação d Determinar a taxa de transferência de calor e a taxa de condensação de vapor mcond e Verificar a temperatura de saída da água de resfriamento Exercício 3 Banco de tubos com escoamento cruzado Um aquecedor de ar consiste em um banco de tubos por onde escoa água quente enquanto ar atmosférico atravessa o banco em escoamento cruzado O objetivo é projetar o número de fileiras necessárias para atingir uma temperatura de saída do ar especificada Dados geométricos do banco Diâmetro externo dos tubos D 16 mm Arranjo quadrado alinhado inline Passo transversal ST 24 mm Passo longitudinal SL 24 mm Número de tubos por fileira NT 12 Comprimento dos tubos L 10 m Condições operacionais Ar escoamento cruzado velocidade de aproximação V 5 ms temperatura de entrada Tarent 15C pressão atmosférica Temperatura de saída desejada do ar Tarsai 40C Temperatura da superfície dos tubos Ts 70C considerar constante devido à alta vazão de água interna Propriedades do ar avaliadas na temperatura média do escoamento Ar a 300 K ρ kgm³ cp JkgK k WmK μ Pas Pr 1177 1006 00263 185 10⁵ 0707 Ar a 343 K para correção Prₛ Prₛ 0699 Correlação de Žukauskas para banco de tubos NuD C₁ ReDm Pr036 PrPrₛ¹⁴ Constantes para arranjo quadrado alinhado Faixa de ReD C₁ m 10³ 2 10⁵ 027 063 Fator de correção para número de fileiras NL 20 NL 1 2 3 4 5 7 C₂ alinhado 070 080 086 090 092 095 O coeficiente corrigido é ħ C₂ ħNL20 Correlação para perda de carga no banco ΔP NL χ ρVmáx²2 f onde χ 1 para arranjos alinhados O fator de atrito f depende do número de Reynolds e da razão de passos ST SL Para as condições deste problema utilizar f 035 Pedese a Calcular a velocidade máxima no banco e o número de Reynolds correspondente b Determinar o coeficiente de transferência de calor médio ħ para um banco com grande número de fileiras c Utilizando o método εNTU para escoamento cruzado com Cmax misturado e Cmin nãomisturado determinar o número de fileiras NL necessárias para atingir a temperatura de saída desejada Considere o fator de correção C₂ d Calcular a perda de carga do ar através do banco e a potência de bombeamento requerida Exercício 4 Projeto de trocador de calor com restrições Uma unidade industrial necessita de um trocador de calor para resfriar óleo hidráulico utilizando água de torre de resfriamento Sua tarefa é propor e justificar uma configuração adequada dentre as alternativas disponíveis Requisitos de processo Óleo hidráulico vazão mássica ṁo 12 kgs temperatura de entrada Toent 75C temperatura de saída requerida Tosai 45C Água de resfriamento disponível a Taent 25C vazão máxima disponível ṁamax 20 kgs Restrições Comprimento máximo disponível Lmax 8 m limitação de espaço físico Perda de carga máxima no lado do óleo ΔPomax 50 kPa limitação da bomba existente Velocidade mínima do óleo Vomin 05 ms para evitar deposição de contaminantes Configurações disponíveis Opção A Trocador tubo duplo em contracorrente Tubo interno óleo diâmetros disponíveis Di 20 25 ou 32 mm parede de 2 mm Tubo externo diâmetro selecionado para manter Dexti De 15 Podese usar múltiplos passes em série hairpin Opção B Trocador casco e tubos 1 passe no casco 2 passes nos tubos Óleo nos tubos água no casco Tubos Di 15 mm De 18 mm arranjo triangular com passo pt 25 mm Número de tubos 30 50 ou 80 Coeficiente do lado do casco fornecido hcasco 1200 Wm²K Propriedades dos fluidos Óleo hidráulico a 60C ρ kgm³ cp JkgK k WmK μ Pas Pr 854 2100 0138 0028 426 Água a 35C ρ kgm³ cp JkgK k WmK μ Pas Pr 994 4178 0624 72 10⁴ 482 Material dos tubos aço carbono ktubo 50 WmK Correlações e dados auxiliares DittusBoelter escoamento interno turbulento NuD 0023 ReD08 Prn n 03 para resfriamento SiederTate escoamento laminar Re 2300 LD 10 NuD 186 ReD Pr DL13 μμs014 Fator de atrito para perda de carga tubo liso f 64ReD laminar f 0316 ReD025 turbulento Blasius Perda de carga ΔP f LD ρV²2 Fator de correção F para trocador 12 casco e tubos F R² 1 ln 1P1P R R1 ln 2PR1R²12PR1R²1 onde R Taent TosaiTasai Taent e P Tasai TaentToent Tosai Pedese a Calcular a carga térmica requerida e a vazão mínima de água de resfriamento b Para cada opção de configuração determinar Regime de escoamento e coeficiente de convecção do óleo Coeficiente global de transferência de calor Área de troca e comprimento necessários Perda de carga no lado do óleo c Verificar quais configurações atendem simultaneamente todas as restrições impostas d Selecionar e justificar a configuração recomendada considerando aspectos como margem de segurança facilidade de manutenção e potencial para expansão futura Observação Este exercício admite múltiplas soluções válidas A avaliação considerará a coerência dos cálculos o atendimento às restrições e a qualidade da justificativa técnica apresentada