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Engenharia Mecânica ·
Transferência de Calor
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DIMENSIONAMENTO DE TROCADORES DE CALOR Disciplina TRANSFERÊNCIA DE CALOR TRANSCAL CURSO Enga Mecânica CÁLCULO DE UM TROCADOR DE CALOR Os problemas de projeto análise e ou desenvolvimento de um trocador de calor para uma finalidade específica podem ser classificados em dois grupos principalmente Problema de projeto é o da escolha do tipo apropriado de trocador de calor e o da determinação das suas dimensões isto é da área superficial de transferência de calor A necessária para se atingir a temperatura de saída desejada Problema de desempenho é aquele no qual se conhecem o tipo e as dimensões do trocador e se quer determinar a taxa de transferência de calor e as temperaturas de saída quando forem dadas as vazões dos fluidos e as temperaturas na entrada CÁLCULO DE UM TROCADOR DE CALOR DMTL Para prever ou projetar o desempenho de um trocador de calor é essencial relacionar a taxa global de transferência de calor a grandezas como as temperaturas de entrada e de saída o coeficiente global de transferência de calor e a área superficial total da transferência de calor NUT Mas quando se conhecem somente as temperaturas de entrada este método exige um processo iterativo Neste caso é preferível usar outra abordagem o método denominado efetividadeNUT Para definir a efetividade de um trocador de calor devemos determinar inicialmente a taxa máxima possível de transferência de calor no trocador A efetividade é definida como a razão entre a taxa real de transferência de calor no trocador de calor e a taxa máxima possível de transferência de calor LMTD NUT DIMENSIONAMENTO TÉRMICO DE TROCADORES DE CALOR LMTD Uma diferença de temperatura cria a força motriz que determina a transmissão de calor de uma fonte a um receptor Os tubos concêntricos mostrados acima conduzem duas correntes e em cada uma destas duas existe um coeficiente de película particular e suas respectivas temperaturas variam da entrada para a saída Considerando um sistema contracorrente ambos os fluidos sofrem variações de temperatura que não são lineares quando as temperaturas são plotadas contra o comprimento Para dedução da diferença de temperatura entre dois fluxos as seguintes hipóteses devem ser feitas o coeficiente total de transmissão de calor U é constante em todo o comprimento da trajetória o calor específico é constante em todos os pontos da trajetória não existem mudanças de fase parciais no sistema e as perdas de calor são desprezíveis então DIMENSIONAMENTO TÉRMICO DE TROCADORES DE CALOR LMTD CONCEITOS IMPORTANTES CAPACIDADE TÉRMICA 1 2 1 2 1 2 2 1 1 2 2 1 ln ln t t t t t T t T t T t T MLTD Tml Tml U A Q U h k L h R m m 1 1 1 0 1 CALOR SENSÍVEL TAXA DE CALOR EM UM TC RESIS TÉRMICA EM UM TC DELTA T LOG Uma etapa essencial porém a mais imprecisa de qualquer análise de trocadores de calor é a determinação do coeficiente global de troca de calor Este coeficiente é definido em função da resistência térmica total à transferência de calor entre dois fluidos Analogia entre resistência térmica e resistência elétrica Resistência térmica à condução Rtcond Ts1 Ts2 qx L kA Resistência térmica à convecção q hATs T Rtconv Ts T q 1 hA Nestas condições o calor trocado foi escrito como q U A Tb1 Tb2 COEFICIENTE DE TROCA GLOBAL U Onde Rn fi e Rn fo são resistências por fouling fator Valores representativos do Coeficiente global de transferência de calor encontram se resumidos na tabela abaixo Fluid Combination U Wm² K Water to water 850 1700 Water to oil 110 350 Steam condenser water in tubes 1000 6000 Ammonia condenser water in tubes 800 1400 Alcohol condenser water in tubes 250 700 Finnedtube heat exchanger water in tubes air in cross flow 25 50 A resistência térmica adicional devida a deposição de partículas na parede fouling factor é dada na tabela ao lado Fluid Rf m² KW Seawater and treated boiler feedwater below 50C 00001 Seawater and treated boiler feedwater above 50C 00002 River water below 50C 00002 0001 Fuel oil 00009 Refrigerating liquids 00002 Steam nonoil bearing 00001 GRÁFICO DE TEMPERATURAS PARA VÁRIOS TIPOS DE CONFIGURAÇÃO DE TC CASCO TUBO TROCADORES DE CALOR CORRENTE PARALELA TROCADORES DE CALOR CONTRA CORRENTE FATORES DE CORREÇÃO PARA DIFERENTES TIPO DE TC CASCO E TUBO CONCEITOS IMPORTANTES 1 2 1 2 1 2 2 1 1 2 2 1 ln ln t t t t t T t T t T t T MLTD Tml DELTA T LOG Fluxo Paralelo Fluxo Contra corrente Exercício 11 Num trocador de calor TC11 onde o fluido quente entra a 900ºC e sai a 600ºC e o fluido frio entra s 100ºC e sai a 500ºC qual o MLDT para a correntes paralelas b correntes opostas MLDT 3366 ºC b correntes opostas Tmax 600 100 500 ºC Tmin 900 500 400 ºC MLDT Tmax Tmin ln Tmax Tmin 500 400 ln 500400 MLTD 4482 ºC Um trocador de calor bitubular tubos concêntricos com configuração contracorrente é utilizado para resfriar o óleo lubrificante de um grande motor de turbina a gás industrial A vazão mássica da água de resfriamento através do tubo interno Di 25 mm é de 02 kgs enquanto a vazão do óleo através da região anular De 45 mm é de 01 kgs O óleo e a água entram a temperaturas de 100 e 30ºC respectivamente Qual deve ser o comprimento do trocador se a temperatura de saída do óleo deve ser de 60ºC Dados Vazões e temperaturas de entrada dos fluidos em um trocador de calor bitubular em contracorrente cujos diâmetros interno e externo são conhecidos Achar Comprimento do trocador para alcançar uma temperatura de saída do fluido quente especificada Esquema Considerações 1 Perda de calor para a vizinhança desprezível 2 Mudanças nas energias cinética e potencial desprezíveis 3 Propriedades constantes 4 Resistência térmica na parede do tubo e fatores de deposição desprezíveis 5 Condições de escoamento plenamente desenvolvidas na água e no óleo U independente de x Propriedades Tabela A5 óleo de motor não usado Tq 80C 353 K cp 2131 JkgK μ 325 102 Nsm2 k 0138 WmK Tabela A6 água T 35C cp 4178 JkgK μ 725 106 Nsm2 k 0625 WmK Pr 485 Análise A taxa de transferência de calor requerida pode ser obtida em um balanço de energia global no fluido quente Equação 116b q ṁq cpq Tqem Tqsai q ṁq cpq Tqem Tqsai q 01 kgs 2131 JkgK100 60C 8524 W Utilizando a Equação 117b a temperatura de saída da água é Tsai q ṁf cpf Tfent Tsai 8524 W 02 kgs 4178 JkgK 30C 402C Conseqüentemente o uso de Tf 35C para avaliar as propriedades da água foi uma boa escolha Agora o comprimento do trocador de calor pode ser obtido pela Equação 1114 q UA ΔTml onde A π De L e das Equações 1115 e 1117 ΔTml Tqem Tsai Tfsai Tfent lnTqem TsaiTfsai Tfent 598 30 ln 59830 432C Da Equação 115 o coeficiente global de transferência de calor é U 11ht 1hc Para o escoamento da água através do tubo ReD 4ṁfπDiμ 4 02 kgsπ0025 m725 106 Nsm² 14050 Conseqüentemente o escoamento é turbulento e o coeficiente de transferência de calor pode ser calculado pela Equação 860 NuD 0023 ReD08 Pr04 NuD 0023 1405008 48504 90 Donde ht NuD kDi 90 0625 WmK0025 m 2250 Wm²K Para o escoamento do óleo através da região anular o diâmetro hidráulico é pela Equação 871 Dh De Di 002 m e o número de Reynolds é ReD ρμmDhμ ρDe Diμ ṁqρπDe² Di²4 ReD 4ṁqπDe Di μ 4 01 kgsπ0045 0025 m 325 102 kgsm 560 O escoamento na região anular é portanto laminar Supondo temperatura uniforme ao longo da superfície interna da região anular e a superfície externa perfeitamente isolada o coeficiente de transferência de calor na superfície interna pode ser obtido na Tabela 82 Com DiDe 056 uma interpolação linear fornece Nut ht Dhk 563 ht 563 0138 WmK0020 m 388 Wm²K O coeficiente global de transferência de calor por convecção é então U 112250 Wm²K 1388 Wm²K 381 Wm²K e a partir da equação para a taxa de transferência de calor temse que L qU πDi ΔTml 8524 W381 Wm²K π0025 m 432 ºC 659 m l FATORES DE CORREÇÃO PARA DIFERENTES TIPO DE TC CASCO E TUBO FATORES DE CORREÇÃO PARA DIFERENTES TIPO DE TC CASCO E TUBO FATORES DE CORREÇÃO PARA DIFERENTES TIPO DE TC CASCO E TUBO FATORES DE CORREÇÃO PARA DIFERENTES TIPO DE TC CASCO E TUBO Um trocador tubo e carcaça deve ser projetado para aquecer 25 kgs de água de 15 ºC a 85 ºC O aquecimento deve ser obtido com a passagem de óleo motor disponível a 160 ºC do lado da carcaça No escoamento do óleo o coeficiente de troca de calor externo aos tubos é conhecido e igual a ho400 Wm²K A água escoa através de dez tubos Cada tubo tem paredes finas e diâmetro igual a 25 mm e faz 8 passes na carcaça Se o óleo deixa o trocador a 100 ºC qual é a sua vazão mássica Qual deve ser o comprimento dos tubos para o aquecimento desejado q ṁ cc Tci Tco 25 4181 85 15 7317 105 W ṁh q cphThi Tho 731700 2350 160 100 519 kg s q UA ΔT2 ΔT1 lnΔT2ΔT1 UA ΔTlm ΔTlm ΔTlm F ΔTlmcc Para escoamento cruzado ΔT1 Thi Tco 160 85 75 ΔT2 Tho Tci 100 15 85 ΔTlmCC ΔT2 ΔT1 lnΔT2 ΔT1 85 75 ln8575 799 EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 087 695 C Rei ρ um D μ 4ṁ Nt π D μ 4 25 10 π 0025 0548 23234 Pr 356 Nui 0023 Rei 45 Pr 04 119 hi Nui k D 119 0643 0025 3061 Wm² K U 1 1hi 1ho 354 Wm² K L q UNt π D ΔTlm 731700 354 10 π 0025 695 L 379 m Lcarcaca L Np 379 8 47 m Exercício 16 O aquecimento de um óleo leve cp08 KcalKgºC de 20ºC até 120ºC está sendo feito usando um trocador multitubular tipo TC18 FT 08 com um total de 80 tubos Æi187 e Æe2 de 3m de comprimento Vapor dágua a 133 ºC DHv516 KcalKg e vazão de 2650 Kgh está sendo usado para aquecimento condensando no interior do casco Considerando coeficientes de película de 2840 Kcalhm²ºC para o óleo e de 5435 Kcalhm²ºC para o vapor e que a densidade do óleo é 075 Kgdm³ pedese a O fator fuligem do trocador b A velocidade do óleo nos tubos do trocador a No trocador os tubos dão 8 passes Portanto em cada passe existe um feixe de 10 tubos n80 tubos n 80810 tubos por passe ri1872093500237m re22100254m L3m Balanço Térmico qc qr ṁvaporΔHv ṁóleocpρóleoTs Te 1367400 ṁóleo x 08 x 120 20 ṁóleo 170925 Kgh Fluido Quente Vapor em condensação te 133ºC ts 133ºC ṁvapor 2650 Kgh ΔHv 516 KcalKg hvapor 5435 Kcalhm²ºC Fluido Frio Óleo leve Te 20ºC Ts 120ºC cpóleo 08 KcalKgºC hóleo 2840 Kcalhm²ºC ρóleo 075 Kgdm³ 075 x 10³ Kgm³ EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO I hm²CKcal b Cálculo da velocidade do óleo Área transversal dos tubos por onde passa o óleo At π ri² n π x 00237² x 10 00176 m² ṁóleo ρóleo vóleo A vóleo ṁóleo ρóleo A 170925 Kgh 075 x 10³ Kgm³ x 00176 12949 mh vóleo 12949 mh 216 mmin 036 ms Se as temperaturas de entrada e de saída do fluido quente e do fluido frio assim como o coeficiente da transferência de calor global forem especificadas o método da DTML com ou sem a correção pode ser empregado para resolver o problema do cálculo térmico ou do dimensionamento Em algumas situações são dadas apenas as temperaturas de entrada e as vazões dos fluidos quente e frio e o coeficiente de transferência de calor global pode ser estimado Em tais casos a temperatura média logarítmica não pode ser determinada pois as temperaturas de saída não são conhecidas Por isso o método da DTML na análise térmica dos trocadores de calor envolverá iterações tediosas para se determinar o valor próprio da DTML que satisfaça a exigência de o calor transferido no trocador de calor ser igual ao calor arrastado pelo fluido Efetividade do Trocador de Calor ε q qmax Taxa de transferência de calor real Máxima taxa de TC A taxa real de transferência de calor pode ser determinada através de balanço de energia nos fluxos quente e frio e expressados como q Cc Tco Tci Ch Thi Tho A efetividade de um trocador é um indicador do seu desempenho térmico ε QT Qmax taxa real de calor trocado máxima taxa de calor POSSÍVEL 0 ε 1 Em princípio Qmax pode ser obtida em um trocador contracorrente de comprimento infinito considerando dois casos MÉTODO DA EFETIVIDADE NTU Maior Δ T Maior Δ T MÉTODO DA EFETIVIDADE NTU É possível observar então que Qmax Čmin ΔTmax onde ΔTmax T1in T2in Čmin minČ1 Č2 POR QUE NÃO Qmax Čmax ΔTmax Pela conserv da energia Č1 T1in T1out Č2 T2out T2in Se por exemplo Čmax Č2 e se fosse possível que T1in T2out Então T1in T1out Č2Č1 T1in T2in T1in T1out T1in T2in Ou seja T1out T2in O QUE É IMPOSSÍVEL MÉTODO DA EFETIVIDADE NTU qmax Cmin Thi Tci onde Cmin é o valor menor entre Cmin Ch mh Cph Cc mc Cpc A determinação de qmax necessita o conhecimento das temperaturas de entrada das correntes quente e fria e de suas taxas de massa Uma vez conhecendose a efetividade do TC ε a taxa de transferência de calor real q pode ser determinada como q ε qmax ε Cmin Thi Tci MÉTODO DA EFETIVIDADE NTU Da definição da efetividade segue que Q ε Čmin T1in T2in ε Č1 T1in T1out Čmin T1in T2in ε Č2 T2out T2in Čmin T1in T2in Para qualquer trocador de calor KAYS LONDON mostraram que Shah Sec 33 ε f NTU C Čmin Čmax arranjo das correntes Método da efetividade NTU Número de unidades de transferência NUT NUT UA Cmin NUT número adimensional que representa o tamanho da transferência de calor ou tamanho térmico do trocador de calor portanto é um parâmetro de projeto NUT não necessariamente indica o tamanho físico do trocador de calor Ex TC casco e tubos de uma planta química pode ter NUT 1 e ocupar um V 100 m³ Regenerador de uma turbina a gás pode ter NUT10 e V 001 m³ Mas se comparamos trocadores para uma mesma aplicação com UCmin praticamente constantes um maior NUT significa trocador de calor maior Maior NUT é obtido aumentando U ou A ou diminuindo Cmin Variar Cmin afeta diretamente NUT mas variar Cmax afeta h neste lado e portanto afeta U e NUT também Método da efetividade NTU Número de unidades de transferência NUT As relações de efetividade dos trocadores de calor envolvem tipicamente o grupo adimensional UACmin Essa quantidade é chamada Número de Unidades de Transferência ou NUT expressado como NUT UA Cmin UA ṁCpmin onde U é o coeficiente global de transferência de calor e A é área da superfície de TC É importante notar que o NUT é proporcional a A Assim para valores específicos de U e Cmin o valor do NUT é uma medida da área da superfície de transferência de calor A Quanto maior o NUT maior é o trocador de calor Na análise de trocadores de calor é conveniente definir outra quantidade adimensional chamada relação de capacidade c e definida como c Cmin Cmax Método da efetividade NTU A efetividade de um trocador de calor é uma função do NUT e da relação de capacidades caloríficas c isso é ε fNUT c UA Cmin Cmin Cmax Baixos valores de NUT baixa ε Aumentando NUT ε geralmente aumenta Um trocador de calor ideal NUT porque a A para qmax Cmin Tmax Alguns valores típicos de NUT e ε Radiador automotivo NUT05 ε40 Condensador de planta de potência NUT1 ε 63 Regenerador para motor de turbina a gás industrial NUT10 ε 90 Regenerador de motor Stirling NTU50 ε98 MÉTODO DA EFETIVIDADE NTU 3 FATORES CHAVE TABLE 134 Effectiveness relations for heat exchangers NTU UAsCmin and c CminCmax ṁCpminṁCpmax Kays and London Ref 5 Heat exchanger type Effectiveness relation 1 Double pipe Parallelflow ε 1 expNTU1 c1 c Counterflow ε 1 expNTU1 c1 c expNTU1 c 2 Shell and tube Oneshell pass 2 4 tube passes ε 21 c sqrt1 c2 1 expNTU sqrt1 c2 1 expNTU sqrt1 c21 3 Crossflow singlepass Both fluids unmixed ε 1 expNTU022cexpc NTU078 1 Cmax mixed Cmin unmixed ε 1c 1 exp1 c1 expNTU Cmin mixed Cmax unmixed ε 1 exp1c1 expc NTU 4 All heat exchangers with c0 ε 1 expNTU a Parallelflow b Counterflow c Oneshell pass and 2 4 6 tube passes d Twoshell passes and 4 8 12 tube passes Graphs showing Effectiveness ε versus Number of transfer units NTU As UCmin Curves for different values of CminCmax 0 025 050 075 100 e Crossflow with both fluids unmixed f Crossflow with one fluid mixed and the other unmixed Graphs showing Effectiveness ε versus Number of transfer units NTU As UCmin Curves for different values of CminCmax 0 025 050 075 100 e and CmaxCmin 0 025 05 2 075 133 1 f Gases quentes de exaustão a uma temperatura de 300ºC entram em um trocador de calor com tubos aletados e escoamento cruzado e deixam esse trocador a 100ºC sendo usados para aquecer uma vazão de 1 kgs de água pressurizada de 35ºC a 125ºC O calor específico dos gases de exaustão é de aproximadamente 1000 JkgK e o coeficiente global de transferência de calor baseado na área superficial no lado do gás é igual a Uq 100 Wm²K Utilizando o método εNUT determine a área superficial no lado do gás Aq necessária para a troca térmica SOLUÇÃO Dados Temperaturas de entrada e de saída dos gases quentes e da água utilizados em um trocador de calor com escoamento cruzado e tubos aletados Vazão mássica da água e coeficiente global de transferência de calor baseado na área da superfície no lado do gás Achar Área superficial no lado do gás Esquema Trocador de calor de escoamento cruzado com tubos aletados Uq 100 Wm²K Dois fluidos nãomisturados Considerações 1 Perda de calor para a vizinhança e variações nas energias cinética e potencial desprezíveis 2 Propriedades constantes Propriedades Tabela A6 água Tf 80ºC cpf 4197 JkgK Gases de exaustão cpq 1000 JkgK Análise A área superficial requerida pode ser obtida a partir do conhecimento do número de unidades de transferência o qual por sua vez pode ser obtido com o conhecimento da razão entre as taxas de capacidades caloríficas e da efetividade Para determinar a taxa de capacidade calorífica mínima iniciamos calculando Cf ṁf cpf 1 kgs 4197 JkgK 4197 WK Como ṁq não é especificada Cq é obtida pela combinação dos balanços globais de energia Equações 116b e 117b Cq ṁq cpq Cf Tfsai Tfent Tqent Tqsai 4197 12535300100 1889 WK Cmin qmax CminTqeni Tfent 1889 WK 300 35C 500 x 10⁵ W Pela Equação 117b a taxa de transferência de calor real é q ṁf Cpɓ Tssai Tfeni 1 kgs x 4197 JkgK 125 35C q 378 x 10⁵ W ε q qmax 378 x 10⁵ W 500 x 10⁵ W 075 Com Cmin Cmax 1889 4197 045 temse que com base na Figura 1114 que NUT Uq Aq Cmin 21 ou Aq 21 1889 WK 100 Wm²K 397 m² FIGURA 1114 Efetividade de um trocador de calor de escoamento cruzado com um passe com os dois fluidos nãomisturados Equação 1132 Comentários Com o trocador de calor dimensionado Aq 397 m² e colocado em operação o seu desempenho real está sujeito a variações incontroláveis na temperatura de entrada dos gases de exaustão 200 Tqent 400C e à degradação gradual das superfícies do trocador devido à deposição Uq diminui de 100 para 60 Wm²K Para um valor fixo de Cmin Cq 1889 WK a redução no valor de Uq corresponde a uma redução no valor de NUT para NUT 126 e portanto a uma redução na efetividade do trocador de calor que pode ser calculada pela Equação 1132 Os efeitos dessas variações sobre a temperatura de saída da água foram calculados e o gráfico ao lado apresenta os resultados Se a intenção é manter uma temperatura da água na saída fixa e igual a Tssai 125C poderiam ser feitos ajustes nas vazões ṁf e ṁq a fim de compensar essas variações As equações do modelo podem ser usadas para determinar tais ajustes e desta forma servem como base para o projeto do controlador necessário Considere o projeto do trocador de calor do Exemplo 113 ou seja de um trocador com tubos aletados e escoamento cruzado com um coeficiente global de transferência de calor baseado na área no lado do gás e uma área no lado do gás de 100 Wm²K e 40 m² respectivamente A vazão mássica e a temperatura de entrada da água permanecem iguais a 1 kgs e 35C Entretanto uma mudança nas condições operacionais do gerador de gases quentes faz com que os gases passem a entrar no trocador de calor a uma vazão de 15 kgs e a uma temperatura de 250C Qual é a taxa de transferência de calor no trocador e quais são as temperaturas de saída do gás e da água SOLUÇÃO Dados Condições de entrada dos fluidos quente e frio em um trocador de calor com tubos aletados e escoamento cruzado com área de transferência de calor e coeficiente global de transferência de calor conhecidos Achar Taxa de transferência de calor e temperatura de saída dos fluidos Esquema Tqent 250C Aq 40 m² Uq 100 Wm²K mq 15 kgs Tqsat Tjsat Tjent 35C mf 1 kgs Considerações 1 Perda de calor para a vizinhança e variações nas energias cinética e potencial desprezíveis 2 Propriedades constantes as mesmas do Exemplo 113 Considerações 1 Perda de calor para a vizinhança e variações nas energias cinética e potencial desprezíveis 2 Propriedades constantes as mesmas do Exemplo 113 Análise O problema pode ser classificado como um de cálculo do desempenho de um trocador de calor As taxas de capacidades caloríficas são Cf ṁfcpf 1kgs 4197 Jkg K 4197 WK Cq ṁqcpq 15 kgs 1000 Jkg K 1500 WK Cmin então CminCmax 15004197 0357 O número de unidades de transferência é NUT UqAqCmin 100 Wm² K 40 m² 1500 WK 267 Com base na Figura 1114 a efetividade do trocador de calor é então ε 082 e a partir da Equação 1118 a taxa de transferência de calor máxima possível é qmax Cmin Tqent Tfent 1500 WK 250 35C 323 10⁵ W Assim com base na definição de ε Equação 1119 a taxa de transferência de calor real é q εqmax 082 323 10⁵ W 265 10⁵ W Agora tornase uma questão simples a determinação das temperaturas de saída pelos balanços de energia globais A partir da Equação 116b Tqsai Tqent q ṁqcpq 250C 265 10⁵ W 1500 WK 733C e da Equação 117b Tfsai Tfent q ṁfcpf 35C 265 10⁵ W 4197 WK 981C Comentários 1 Com base na Equação 1132 ε 0845 o que está em boa concordância com a estimativa obtida no gráfico 2 De maneira implícita foi considerado que o valor do coeficiente global de transferência de calor permaneceu inalterado com a variação em ṁq Na realidade com uma redução de aproximadamente 20 no valor de ṁq haveria uma redução em Uq que apesar de ser percentualemente menor ainda assim seria significativa 3 Como discutido no Comentário do Exemplo 113 poderiam ser feitos ajustes na vazão para manter uma temperatura de saída da água fixa Se por exemplo a temperatura de saída tivesse que ser mantida em Tfsai 125C a vazão da água deveria ser reduzida para o valor dado pela Equação 117b Isto é ṁf q cpf Tfsai Tfent 265 10⁵ W 4197 Jkg K125 35C 0702 kgs
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transferência de calor e a área superficial total da transferência de calor NUT Mas quando se conhecem somente as temperaturas de entrada este método exige um processo iterativo Neste caso é preferível usar outra abordagem o método denominado efetividadeNUT Para definir a efetividade de um trocador de calor devemos determinar inicialmente a taxa máxima possível de transferência de calor no trocador A efetividade é definida como a razão entre a taxa real de transferência de calor no trocador de calor e a taxa máxima possível de transferência de calor LMTD NUT DIMENSIONAMENTO TÉRMICO DE TROCADORES DE CALOR LMTD Uma diferença de temperatura cria a força motriz que determina a transmissão de calor de uma fonte a um receptor Os tubos concêntricos mostrados acima conduzem duas correntes e em cada uma destas duas existe um coeficiente de película particular e suas respectivas temperaturas variam da entrada para a saída Considerando um sistema contracorrente ambos os fluidos sofrem variações de temperatura que não são lineares quando as temperaturas são plotadas contra o comprimento Para dedução da diferença de temperatura entre dois fluxos as seguintes hipóteses devem ser feitas o coeficiente total de transmissão de calor U é constante em todo o comprimento da trajetória o calor específico é constante em todos os pontos da trajetória não existem mudanças de fase parciais no sistema e as perdas de calor são desprezíveis então DIMENSIONAMENTO TÉRMICO DE TROCADORES DE CALOR LMTD CONCEITOS IMPORTANTES CAPACIDADE TÉRMICA 1 2 1 2 1 2 2 1 1 2 2 1 ln ln t t t t t T t T t T t T MLTD Tml Tml U A Q U h k L h R m m 1 1 1 0 1 CALOR SENSÍVEL TAXA DE CALOR EM UM TC RESIS TÉRMICA EM UM TC DELTA T LOG Uma etapa essencial porém a mais imprecisa de qualquer análise de trocadores de calor é a determinação do coeficiente global de troca de calor Este coeficiente é definido em função da resistência térmica total à transferência de calor entre dois fluidos Analogia entre resistência térmica e resistência elétrica Resistência térmica à condução Rtcond Ts1 Ts2 qx L kA Resistência térmica à convecção q hATs T Rtconv Ts T q 1 hA Nestas condições o calor trocado foi escrito como q U A Tb1 Tb2 COEFICIENTE DE TROCA GLOBAL U Onde Rn fi e Rn fo são resistências por fouling fator Valores representativos do Coeficiente global de transferência de calor encontram se resumidos na tabela abaixo Fluid Combination U Wm² K Water to water 850 1700 Water to oil 110 350 Steam condenser water in tubes 1000 6000 Ammonia condenser water in tubes 800 1400 Alcohol condenser water in tubes 250 700 Finnedtube heat exchanger water in tubes air in cross flow 25 50 A resistência térmica adicional devida a deposição de partículas na parede fouling factor é dada na tabela ao lado Fluid Rf m² KW Seawater and treated boiler feedwater below 50C 00001 Seawater and treated boiler feedwater above 50C 00002 River water below 50C 00002 0001 Fuel oil 00009 Refrigerating liquids 00002 Steam nonoil bearing 00001 GRÁFICO DE TEMPERATURAS PARA VÁRIOS TIPOS DE CONFIGURAÇÃO DE TC CASCO TUBO TROCADORES DE CALOR CORRENTE PARALELA TROCADORES DE CALOR CONTRA CORRENTE FATORES DE CORREÇÃO PARA DIFERENTES TIPO DE TC CASCO E TUBO CONCEITOS IMPORTANTES 1 2 1 2 1 2 2 1 1 2 2 1 ln ln t t t t t T t T t T t T MLTD Tml DELTA T LOG Fluxo Paralelo Fluxo Contra corrente Exercício 11 Num trocador de calor TC11 onde o fluido quente entra a 900ºC e sai a 600ºC e o fluido frio entra s 100ºC e sai a 500ºC qual o MLDT para a correntes paralelas b correntes opostas MLDT 3366 ºC b correntes opostas Tmax 600 100 500 ºC Tmin 900 500 400 ºC MLDT Tmax Tmin ln Tmax Tmin 500 400 ln 500400 MLTD 4482 ºC Um trocador de calor bitubular tubos concêntricos com configuração contracorrente é utilizado para resfriar o óleo lubrificante de um grande motor de turbina a gás industrial A vazão mássica da água de resfriamento através do tubo interno Di 25 mm é de 02 kgs enquanto a vazão do óleo através da região anular De 45 mm é de 01 kgs O óleo e a água entram a temperaturas de 100 e 30ºC respectivamente Qual deve ser o comprimento do trocador se a temperatura de saída do óleo deve ser de 60ºC Dados Vazões e temperaturas de entrada dos fluidos em um trocador de calor bitubular em contracorrente cujos diâmetros interno e externo são conhecidos Achar Comprimento do trocador para alcançar uma temperatura de saída do fluido quente especificada Esquema Considerações 1 Perda de calor para a vizinhança desprezível 2 Mudanças nas energias cinética e potencial desprezíveis 3 Propriedades constantes 4 Resistência térmica na parede do tubo e fatores de deposição desprezíveis 5 Condições de escoamento plenamente desenvolvidas na água e no óleo U independente de x Propriedades Tabela A5 óleo de motor não usado Tq 80C 353 K cp 2131 JkgK μ 325 102 Nsm2 k 0138 WmK Tabela A6 água T 35C cp 4178 JkgK μ 725 106 Nsm2 k 0625 WmK Pr 485 Análise A taxa de transferência de calor requerida pode ser obtida em um balanço de energia global no fluido quente Equação 116b q ṁq cpq Tqem Tqsai q ṁq cpq Tqem Tqsai q 01 kgs 2131 JkgK100 60C 8524 W Utilizando a Equação 117b a temperatura de saída da água é Tsai q ṁf cpf Tfent Tsai 8524 W 02 kgs 4178 JkgK 30C 402C Conseqüentemente o uso de Tf 35C para avaliar as propriedades da água foi uma boa escolha Agora o comprimento do trocador de calor pode ser obtido pela Equação 1114 q UA ΔTml onde A π De L e das Equações 1115 e 1117 ΔTml Tqem Tsai Tfsai Tfent lnTqem TsaiTfsai Tfent 598 30 ln 59830 432C Da Equação 115 o coeficiente global de transferência de calor é U 11ht 1hc Para o escoamento da água através do tubo ReD 4ṁfπDiμ 4 02 kgsπ0025 m725 106 Nsm² 14050 Conseqüentemente o escoamento é turbulento e o coeficiente de transferência de calor pode ser calculado pela Equação 860 NuD 0023 ReD08 Pr04 NuD 0023 1405008 48504 90 Donde ht NuD kDi 90 0625 WmK0025 m 2250 Wm²K Para o escoamento do óleo através da região anular o diâmetro hidráulico é pela Equação 871 Dh De Di 002 m e o número de Reynolds é ReD ρμmDhμ ρDe Diμ ṁqρπDe² Di²4 ReD 4ṁqπDe Di μ 4 01 kgsπ0045 0025 m 325 102 kgsm 560 O escoamento na região anular é portanto laminar Supondo temperatura uniforme ao longo da superfície interna da região anular e a superfície externa perfeitamente isolada o coeficiente de transferência de calor na superfície interna pode ser obtido na Tabela 82 Com DiDe 056 uma interpolação linear fornece Nut ht Dhk 563 ht 563 0138 WmK0020 m 388 Wm²K O coeficiente global de transferência de calor por convecção é então U 112250 Wm²K 1388 Wm²K 381 Wm²K e a partir da equação para a taxa de transferência de calor temse que L qU πDi ΔTml 8524 W381 Wm²K π0025 m 432 ºC 659 m l FATORES DE CORREÇÃO PARA DIFERENTES TIPO DE TC CASCO E TUBO FATORES DE CORREÇÃO PARA DIFERENTES TIPO DE TC CASCO E TUBO FATORES DE CORREÇÃO PARA DIFERENTES TIPO DE TC CASCO E TUBO FATORES DE CORREÇÃO PARA DIFERENTES TIPO DE TC CASCO E TUBO Um trocador tubo e carcaça deve ser projetado para aquecer 25 kgs de água de 15 ºC a 85 ºC O aquecimento deve ser obtido com a passagem de óleo motor disponível a 160 ºC do lado da carcaça No escoamento do óleo o coeficiente de troca de calor externo aos tubos é conhecido e igual a ho400 Wm²K A água escoa através de dez tubos Cada tubo tem paredes finas e diâmetro igual a 25 mm e faz 8 passes na carcaça Se o óleo deixa o trocador a 100 ºC qual é a sua vazão mássica Qual deve ser o comprimento dos tubos para o aquecimento desejado q ṁ cc Tci Tco 25 4181 85 15 7317 105 W ṁh q cphThi Tho 731700 2350 160 100 519 kg s q UA ΔT2 ΔT1 lnΔT2ΔT1 UA ΔTlm ΔTlm ΔTlm F ΔTlmcc Para escoamento cruzado ΔT1 Thi Tco 160 85 75 ΔT2 Tho Tci 100 15 85 ΔTlmCC ΔT2 ΔT1 lnΔT2 ΔT1 85 75 ln8575 799 EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 087 695 C Rei ρ um D μ 4ṁ Nt π D μ 4 25 10 π 0025 0548 23234 Pr 356 Nui 0023 Rei 45 Pr 04 119 hi Nui k D 119 0643 0025 3061 Wm² K U 1 1hi 1ho 354 Wm² K L q UNt π D ΔTlm 731700 354 10 π 0025 695 L 379 m Lcarcaca L Np 379 8 47 m Exercício 16 O aquecimento de um óleo leve cp08 KcalKgºC de 20ºC até 120ºC está sendo feito usando um trocador multitubular tipo TC18 FT 08 com um total de 80 tubos Æi187 e Æe2 de 3m de comprimento Vapor dágua a 133 ºC DHv516 KcalKg e vazão de 2650 Kgh está sendo usado para aquecimento condensando no interior do casco Considerando coeficientes de película de 2840 Kcalhm²ºC para o óleo e de 5435 Kcalhm²ºC para o vapor e que a densidade do óleo é 075 Kgdm³ pedese a O fator fuligem do trocador b A velocidade do óleo nos tubos do trocador a No trocador os tubos dão 8 passes Portanto em cada passe existe um feixe de 10 tubos n80 tubos n 80810 tubos por passe ri1872093500237m re22100254m L3m Balanço Térmico qc qr ṁvaporΔHv ṁóleocpρóleoTs Te 1367400 ṁóleo x 08 x 120 20 ṁóleo 170925 Kgh Fluido Quente Vapor em condensação te 133ºC ts 133ºC ṁvapor 2650 Kgh ΔHv 516 KcalKg hvapor 5435 Kcalhm²ºC Fluido Frio Óleo leve Te 20ºC Ts 120ºC cpóleo 08 KcalKgºC hóleo 2840 Kcalhm²ºC ρóleo 075 Kgdm³ 075 x 10³ Kgm³ EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO I hm²CKcal b Cálculo da velocidade do óleo Área transversal dos tubos por onde passa o óleo At π ri² n π x 00237² x 10 00176 m² ṁóleo ρóleo vóleo A vóleo ṁóleo ρóleo A 170925 Kgh 075 x 10³ Kgm³ x 00176 12949 mh vóleo 12949 mh 216 mmin 036 ms Se as temperaturas de entrada e de saída do fluido quente e do fluido frio assim como o coeficiente da transferência de calor global forem especificadas o método da DTML com ou sem a correção pode ser empregado para resolver o problema do cálculo térmico ou do dimensionamento Em algumas situações são dadas apenas as temperaturas de entrada e as vazões dos fluidos quente e frio e o coeficiente de transferência de calor global pode ser estimado Em tais casos a temperatura média logarítmica não pode ser determinada pois as temperaturas de saída não são conhecidas Por isso o método da DTML na análise térmica dos trocadores de calor envolverá iterações tediosas para se determinar o valor próprio da DTML que satisfaça a exigência de o calor transferido no trocador de calor ser igual ao calor arrastado pelo fluido Efetividade do Trocador de Calor ε q qmax Taxa de transferência de calor real Máxima taxa de TC A taxa real de transferência de calor pode ser determinada através de balanço de energia nos fluxos quente e frio e expressados como q Cc Tco Tci Ch Thi Tho A efetividade de um trocador é um indicador do seu desempenho térmico ε QT Qmax taxa real de calor trocado máxima taxa de calor POSSÍVEL 0 ε 1 Em princípio Qmax pode ser obtida em um trocador contracorrente de comprimento infinito considerando dois casos MÉTODO DA EFETIVIDADE NTU Maior Δ T Maior Δ T MÉTODO DA EFETIVIDADE NTU É possível observar então que Qmax Čmin ΔTmax onde ΔTmax T1in T2in Čmin minČ1 Č2 POR QUE NÃO Qmax Čmax ΔTmax Pela conserv da energia Č1 T1in T1out Č2 T2out T2in Se por exemplo Čmax Č2 e se fosse possível que T1in T2out Então T1in T1out Č2Č1 T1in T2in T1in T1out T1in T2in Ou seja T1out T2in O QUE É IMPOSSÍVEL MÉTODO DA EFETIVIDADE NTU qmax Cmin Thi Tci onde Cmin é o valor menor entre Cmin Ch mh Cph Cc mc Cpc A determinação de qmax necessita o conhecimento das temperaturas de entrada das correntes quente e fria e de suas taxas de massa Uma vez conhecendose a efetividade do TC ε a taxa de transferência de calor real q pode ser determinada como q ε qmax ε Cmin Thi Tci MÉTODO DA EFETIVIDADE NTU Da definição da efetividade segue que Q ε Čmin T1in T2in ε Č1 T1in T1out Čmin T1in T2in ε Č2 T2out T2in Čmin T1in T2in Para qualquer trocador de calor KAYS LONDON mostraram que Shah Sec 33 ε f NTU C Čmin Čmax arranjo das correntes Método da efetividade NTU Número de unidades de transferência NUT NUT UA Cmin NUT número adimensional que representa o tamanho da transferência de calor ou tamanho térmico do trocador de calor portanto é um parâmetro de projeto NUT não necessariamente indica o tamanho físico do trocador de calor Ex TC casco e tubos de uma planta química pode ter NUT 1 e ocupar um V 100 m³ Regenerador de uma turbina a gás pode ter NUT10 e V 001 m³ Mas se comparamos trocadores para uma mesma aplicação com UCmin praticamente constantes um maior NUT significa trocador de calor maior Maior NUT é obtido aumentando U ou A ou diminuindo Cmin Variar Cmin afeta diretamente NUT mas variar Cmax afeta h neste lado e portanto afeta U e NUT também Método da efetividade NTU Número de unidades de transferência NUT As relações de efetividade dos trocadores de calor envolvem tipicamente o grupo adimensional UACmin Essa quantidade é chamada Número de Unidades de Transferência ou NUT expressado como NUT UA Cmin UA ṁCpmin onde U é o coeficiente global de transferência de calor e A é área da superfície de TC É importante notar que o NUT é proporcional a A Assim para valores específicos de U e Cmin o valor do NUT é uma medida da área da superfície de transferência de calor A Quanto maior o NUT maior é o trocador de calor Na análise de trocadores de calor é conveniente definir outra quantidade adimensional chamada relação de capacidade c e definida como c Cmin Cmax Método da efetividade NTU A efetividade de um trocador de calor é uma função do NUT e da relação de capacidades caloríficas c isso é ε fNUT c UA Cmin Cmin Cmax Baixos valores de NUT baixa ε Aumentando NUT ε geralmente aumenta Um trocador de calor ideal NUT porque a A para qmax Cmin Tmax Alguns valores típicos de NUT e ε Radiador automotivo NUT05 ε40 Condensador de planta de potência NUT1 ε 63 Regenerador para motor de turbina a gás industrial NUT10 ε 90 Regenerador de motor Stirling NTU50 ε98 MÉTODO DA EFETIVIDADE NTU 3 FATORES CHAVE TABLE 134 Effectiveness relations for heat exchangers NTU UAsCmin and c CminCmax ṁCpminṁCpmax Kays and London Ref 5 Heat exchanger type Effectiveness relation 1 Double pipe Parallelflow ε 1 expNTU1 c1 c Counterflow ε 1 expNTU1 c1 c expNTU1 c 2 Shell and tube Oneshell pass 2 4 tube passes ε 21 c sqrt1 c2 1 expNTU sqrt1 c2 1 expNTU sqrt1 c21 3 Crossflow singlepass Both fluids unmixed ε 1 expNTU022cexpc NTU078 1 Cmax mixed Cmin unmixed ε 1c 1 exp1 c1 expNTU Cmin mixed Cmax unmixed ε 1 exp1c1 expc NTU 4 All heat exchangers with c0 ε 1 expNTU a Parallelflow b Counterflow c Oneshell pass and 2 4 6 tube passes d Twoshell passes and 4 8 12 tube passes Graphs showing Effectiveness ε versus Number of transfer units NTU As UCmin Curves for different values of CminCmax 0 025 050 075 100 e Crossflow with both fluids unmixed f Crossflow with one fluid mixed and the other unmixed Graphs showing Effectiveness ε versus Number of transfer units NTU As UCmin Curves for different values of CminCmax 0 025 050 075 100 e and CmaxCmin 0 025 05 2 075 133 1 f Gases quentes de exaustão a uma temperatura de 300ºC entram em um trocador de calor com tubos aletados e escoamento cruzado e deixam esse trocador a 100ºC sendo usados para aquecer uma vazão de 1 kgs de água pressurizada de 35ºC a 125ºC O calor específico dos gases de exaustão é de aproximadamente 1000 JkgK e o coeficiente global de transferência de calor baseado na área superficial no lado do gás é igual a Uq 100 Wm²K Utilizando o método εNUT determine a área superficial no lado do gás Aq necessária para a troca térmica SOLUÇÃO Dados Temperaturas de entrada e de saída dos gases quentes e da água utilizados em um trocador de calor com escoamento cruzado e tubos aletados Vazão mássica da água e coeficiente global de transferência de calor baseado na área da superfície no lado do gás Achar Área superficial no lado do gás Esquema Trocador de calor de escoamento cruzado com tubos aletados Uq 100 Wm²K Dois fluidos nãomisturados Considerações 1 Perda de calor para a vizinhança e variações nas energias cinética e potencial desprezíveis 2 Propriedades constantes Propriedades Tabela A6 água Tf 80ºC cpf 4197 JkgK Gases de exaustão cpq 1000 JkgK Análise A área superficial requerida pode ser obtida a partir do conhecimento do número de unidades de transferência o qual por sua vez pode ser obtido com o conhecimento da razão entre as taxas de capacidades caloríficas e da efetividade Para determinar a taxa de capacidade calorífica mínima iniciamos calculando Cf ṁf cpf 1 kgs 4197 JkgK 4197 WK Como ṁq não é especificada Cq é obtida pela combinação dos balanços globais de energia Equações 116b e 117b Cq ṁq cpq Cf Tfsai Tfent Tqent Tqsai 4197 12535300100 1889 WK Cmin qmax CminTqeni Tfent 1889 WK 300 35C 500 x 10⁵ W Pela Equação 117b a taxa de transferência de calor real é q ṁf Cpɓ Tssai Tfeni 1 kgs x 4197 JkgK 125 35C q 378 x 10⁵ W ε q qmax 378 x 10⁵ W 500 x 10⁵ W 075 Com Cmin Cmax 1889 4197 045 temse que com base na Figura 1114 que NUT Uq Aq Cmin 21 ou Aq 21 1889 WK 100 Wm²K 397 m² FIGURA 1114 Efetividade de um trocador de calor de escoamento cruzado com um passe com os dois fluidos nãomisturados Equação 1132 Comentários Com o trocador de calor dimensionado Aq 397 m² e colocado em operação o seu desempenho real está sujeito a variações incontroláveis na temperatura de entrada dos gases de exaustão 200 Tqent 400C e à degradação gradual das superfícies do trocador devido à deposição Uq diminui de 100 para 60 Wm²K Para um valor fixo de Cmin Cq 1889 WK a redução no valor de Uq corresponde a uma redução no valor de NUT para NUT 126 e portanto a uma redução na efetividade do trocador de calor que pode ser calculada pela Equação 1132 Os efeitos dessas variações sobre a temperatura de saída da água foram calculados e o gráfico ao lado apresenta os resultados Se a intenção é manter uma temperatura da água na saída fixa e igual a Tssai 125C poderiam ser feitos ajustes nas vazões ṁf e ṁq a fim de compensar essas variações As equações do modelo podem ser usadas para determinar tais ajustes e desta forma servem como base para o projeto do controlador necessário Considere o projeto do trocador de calor do Exemplo 113 ou seja de um trocador com tubos aletados e escoamento cruzado com um coeficiente global de transferência de calor baseado na área no lado do gás e uma área no lado do gás de 100 Wm²K e 40 m² respectivamente A vazão mássica e a temperatura de entrada da água permanecem iguais a 1 kgs e 35C Entretanto uma mudança nas condições operacionais do gerador de gases quentes faz com que os gases passem a entrar no trocador de calor a uma vazão de 15 kgs e a uma temperatura de 250C Qual é a taxa de transferência de calor no trocador e quais são as temperaturas de saída do gás e da água SOLUÇÃO Dados Condições de entrada dos fluidos quente e frio em um trocador de calor com tubos aletados e escoamento cruzado com área de transferência de calor e coeficiente global de transferência de calor conhecidos Achar Taxa de transferência de calor e temperatura de saída dos fluidos Esquema Tqent 250C Aq 40 m² Uq 100 Wm²K mq 15 kgs Tqsat Tjsat Tjent 35C mf 1 kgs Considerações 1 Perda de calor para a vizinhança e variações nas energias cinética e potencial desprezíveis 2 Propriedades constantes as mesmas do Exemplo 113 Considerações 1 Perda de calor para a vizinhança e variações nas energias cinética e potencial desprezíveis 2 Propriedades constantes as mesmas do Exemplo 113 Análise O problema pode ser classificado como um de cálculo do desempenho de um trocador de calor As taxas de capacidades caloríficas são Cf ṁfcpf 1kgs 4197 Jkg K 4197 WK Cq ṁqcpq 15 kgs 1000 Jkg K 1500 WK Cmin então CminCmax 15004197 0357 O número de unidades de transferência é NUT UqAqCmin 100 Wm² K 40 m² 1500 WK 267 Com base na Figura 1114 a efetividade do trocador de calor é então ε 082 e a partir da Equação 1118 a taxa de transferência de calor máxima possível é qmax Cmin Tqent Tfent 1500 WK 250 35C 323 10⁵ W Assim com base na definição de ε Equação 1119 a taxa de transferência de calor real é q εqmax 082 323 10⁵ W 265 10⁵ W Agora tornase uma questão simples a determinação das temperaturas de saída pelos balanços de energia globais A partir da Equação 116b Tqsai Tqent q ṁqcpq 250C 265 10⁵ W 1500 WK 733C e da Equação 117b Tfsai Tfent q ṁfcpf 35C 265 10⁵ W 4197 WK 981C Comentários 1 Com base na Equação 1132 ε 0845 o que está em boa concordância com a estimativa obtida no gráfico 2 De maneira implícita foi considerado que o valor do coeficiente global de transferência de calor permaneceu inalterado com a variação em ṁq Na realidade com uma redução de aproximadamente 20 no valor de ṁq haveria uma redução em Uq que apesar de ser percentualemente menor ainda assim seria significativa 3 Como discutido no Comentário do Exemplo 113 poderiam ser feitos ajustes na vazão para manter uma temperatura de saída da água fixa Se por exemplo a temperatura de saída tivesse que ser mantida em Tfsai 125C a vazão da água deveria ser reduzida para o valor dado pela Equação 117b Isto é ṁf q cpf Tfsai Tfent 265 10⁵ W 4197 Jkg K125 35C 0702 kgs