Determinar uma estimativa da capacidade máxima (vazão de vapor condensada) de um condensador horizontal contracorrente. A água escoa no lado dos tubos e o vapor condensa no lado do casco. A superfície de troca térmica é formada por 100 tubos de aço inoxidável, com 8 ft de comprimento,
in de diâmetro e 0,065 in de espessura. Os tubos são organizados aproximadamente em 10 filas verticais de 10 tubos cada. O vapor é alimentado no trocador saturado a
. A água de resfriamento é disponibilizada a
com vazão de
. Como estimativa conservadora, adotar a temperatura da entrada da água como base para o cálculo da temperatura da superfície dos tubos.
Passo 1
O enunciado pede uma estimativa da vazão máxima de vapor que pode ser condensada num condensador horizontal contracorrente, em que a água de resfriamento passa pelo interior de 100 tubos de aço inoxidável e o vapor se condensa no casco ao redor dos tubos. O vapor chega saturado a
e a água entra a
com vazão de
,kg/s. Vamos aplicar os conceitos de resistência térmica em série (convecção interna, condução na parede e convecção externa) para obter a transferência de calor
e daí a vazão de vapor condensado
.
Passo 2
Dados geométricos e propriedades:
– Número de tubos .
– Comprimento de cada tubo ft
m.
– Diâmetro externo in
m.
– Espessura da parede in
m.
– Diâmetro interno m.
– Área interna total
– Número de tubos
– Comprimento de cada tubo
– Diâmetro externo
– Espessura da parede
– Diâmetro interno
– Área interna total
– Área externa total
Passo 3
Coeficiente convectivo interno (
) usando Dittus–Boelter. A vazão de água por tubo é
Velocidade média
Número de Reynolds
Prandtl (em
)
. Como a água aquece, usamos
:
Passo 4
Coeficiente de condensação na face externa (vapor saturado em
) usando correlação de Nusselt para tubo horizontal:
Propriedades à
:
,
,
,
,
K,
m.
Calculando o termo interno e a raiz de quarta ordem obtém-se
Calculando o termo interno e a raiz de quarta ordem obtém-se
Passo 5
Resistências térmicas em série por tubo (já com áreas totais combinadas):
Somando
Passo 6
Transferência de calor total
Vazão de vapor condensado
Resposta
A vazão máxima de vapor condensado é aproximadamente
,kg/s.