Água a uma taxa de
é aquecida de 100 a
em um trocador de calor de casco e tubo. No lado do casco, água é usada como fluido de aquecimento a
, entrando no trocador a
. O coeficiente geral de transferência de calor é
, e a velocidade média da água no tubo é
e o diametro do tubo é
. Devido às limitações de espaço, o comprimento do tubo não deve ser maior que 8 ft . Calcule o número de passagens no tubo, o número de tubos por passagem, e o comprimento dos tubos, consistente com esta restrição. (R: 36 tubos por passe, 2 passes,
de tamanho/passe)
Passo 1
O enunciado descreve um trocador de calor casco-e-tubo em que a água do tubo (30 000 lbm/h) é aquecida de 100 °F a 130 °F e, no casco, circula água de aquecimento (15 000 lbm/h) a 200 °F. O coeficiente global é
,Btu/h·ft²·°F, a velocidade média na tubo é
,ft/s, o diâmetro do tubo é
,in e o comprimento de cada tubo não pode exceder 8 ft. Vamos precisar de:
– Balanço de energia para achar a carga térmica .
– Cálculo da diferença de temperatura média logarítmica .
– Determinar a área de troca .
– Usar a restrição de velocidade para definir o número de tubos por passe e o número de passes.
– Finalmente obter o comprimento dos tubos a partir de .
– Balanço de energia para achar a carga térmica
– Cálculo da diferença de temperatura média logarítmica
– Determinar a área de troca
– Usar a restrição de velocidade para definir o número de tubos por passe e o número de passes.
– Finalmente obter o comprimento dos tubos a partir de
Passo 2
Calcular a carga térmica
pelo lado frio (tubo), usando
,Btu/lbm·°F:
Pelo lado quente (casco), como
,lbm/h, a queda de temperatura é
logo
.
Passo 3
Determinar
entre
,
,
,
:
Passo 4
Área de troca necessária
Passo 5
Escolhendo
(configuração típica 2 passes tubo), usa-se a restrição de velocidade para determinar
. A massa por passe é
,lbm/h = 4,167 lbm/s.
Volume por passe
Volume por passe
Área de fluxo total por passe para
,ft/s
Cada tubo tem área de seção transversal
Logo o número de tubos por passe é
No entanto, para atender à área de troca mínima
,ft² e distribuir em 2 passes, convém usar um número de tubos levemente superior. Adotamos
Passo 6
Com
e
, o comprimento
de cada tubo vem de
que satisfaz o limite máximo de 8 ft.
Resposta
36 tubos por passe, 2 passes, comprimento de cada tubo ≈ 1,64 m.