Exercício 2: (5,0 pts)
Deseja-se condensar vapor d’água saturado a 400 K oriunda de um processo em uma indústria alimentícıa. A água, na fase de vapor saturado, entra pelo interior dos tubos de um trocador de calor composto por um banco (matriz) de
tubos alinhados com
de diàmetro,
de comprimento, espessura desprezivel, com espaçamento entre tubos (transversal e longitudinal - centro a centro) de 1 ". Para a condensação da água, ar escoa pelo exterior dos tubos do trocador de calor a uma velocidade de
e entra na matriz com temperatura média de 300 K . (Sugestāo: considere
). Pede-se:
a) o coeficiente médio de transferència de calor por convecção para ar; (
)
b) a temperatura média do ar na saída do trocador de calor:(
)
c) a carga térmica do trocador do calor em Watts; (
)
d) a taxa de produção de.líquido saturado em ton/h.(
)
a) o coeficiente médio de transferència de calor por convecção para ar; (
b) a temperatura média do ar na saída do trocador de calor:(
c) a carga térmica do trocador do calor em Watts; (
d) a taxa de produção de.líquido saturado em ton/h.(
Passo 1
Resumindo: queremos condensar vapor saturado de água a
K em tubos (diâmetro externo
m, comprimento
m, espessura desprezível), dispostos num arranjo
com espaçamento centro a centro de
m nas direções longitudinal e transversal. O ar escoa externamente a
m/s, entra a
K e, para avaliação de propriedades, adotamos temperatura‐filme
K. As tarefas são:
a) coeficiente convectivo médio para o ar;
b) temperatura de saída do ar ;
c) carga térmica ;
d) taxa de condensado em ton/h.
a) coeficiente convectivo médio
b) temperatura de saída do ar
c) carga térmica
d) taxa de condensado em ton/h.
Passo 2
Calculamos primeiro
usando correlação de Kern para escoamento cruzado em bancos de tubos:
Propriedades do ar em
K (aprox.):
,kg/m³,
,Pa·s,
,W/m·K,
.
O número de Reynolds é
O número de Reynolds é
Então
e o coeficiente convectivo é
Passo 3
Para achar
do ar usamos o método de eficácia para um fluido interno a temperatura constante (
) e o ar “desconhecido” em escoamento cruzado, que se modela com
e eficácia
.
Calculemos a área externa total dos tubos e a vazão mássica de ar:
area por tubo
Calculemos a área externa total dos tubos e a vazão mássica de ar:
area por tubo
logo
A área de escoamento do ar é a face de entrada da matriz:
A área de escoamento do ar é a face de entrada da matriz:
Vazão mássica de ar
Capacidade térmica
NTU
NTU
O calor transferido é
A temperatura de saída do ar é
Passo 4
A carga térmica do trocador é simplesmente
Passo 5
Para encontrar a massa de condensado usamos
Do diagrama de vapor,
a 400 K vale cerca de
,J/kg.
que em toneladas por hora é
Resposta
(a)
(b)
(c)
(d)
(b)
(c)
(d)