20.55 A tecnologia de microcanais é apregoada como meio para intensificação de processos, o que em termos simples significa reduzir o tamanho dos equipamentos de processos (trocadores de calor, reatores químicos, processos de separação química etc.) para fazer o mesmo trabalho que um equipamento maior faria. No processo que requer transferência convectiva de calor (geralmente todos os mencionados anteriormente), a intensificação de processos basicamente provoca o aumento no coeficiente convectivo de transferência de calor.
Considere um único tubo de 1 cm de diâmetro interno. A tecnologia de fabricação de microcanais oferece um meio para fazer um arranjo paralelo de tubos pequenos ou “microcanais” para ser usado no lugar de um único tubo. Por exemplo, um único tubo com diâmetro interno de 1 cm poderia ser trocado por 1000 microcanais, cada um com 316 micra (
) de diâmetro interno, todos incorporados dentro de um único bloco de material termicamente condutor. Metal é frequentemente o material preferido, mas é difícil trabalhar com ele. Para aplicações em pequena escala, silício é também comumente usado, em que os microcanais são gravados no silício, usando tecnologias originalmente desenvolvidas pela indústria de fabricação de dispositivos eletrônicos.
a. Compare a área superficial total para transferência de calor do único tubo e o arranjo paralelo de microcanais descrito anteriormente.
Considere agora que a taxa mássica total de água líquida no processo é
e que as propriedades físicas da água são constantes na faixa de temperatura de interesse, com
e
. As paredes do tubo são mantidas em temperatura constante.
b. Qual é o coeficiente de transferência de calor associado com o tubo com 1 cm de diâmetro e 10 cm de comprimento?
c. Qual é o coeficiente de transferência de calor associado com um único microcanal de mesmo comprimento? Que nível de intensificação de processo o sistema de microcanais oferece ao longo do tubo único?
a. Compare a área superficial total para transferência de calor do único tubo e o arranjo paralelo de microcanais descrito anteriormente.
b. Qual é o coeficiente de transferência de calor associado com o tubo com 1 cm de diâmetro e 10 cm de comprimento?
c. Qual é o coeficiente de transferência de calor associado com um único microcanal de mesmo comprimento? Que nível de intensificação de processo o sistema de microcanais oferece ao longo do tubo único?
Passo 1
O enunciado pede:
– em (a) comparar a área de troca térmica de um tubo único de diâmetro interno com a de
microcanais de diâmetro interno
, ambos com comprimento
igual;
– em (b) calcular o coeficiente convectivo para o tubo de
e
, dado
e propriedades da água constantes
;
– em (c) calcular para um único microcanal de mesmo
e avaliar o ganho de intensificação em relação ao tubo único.
Usaremos: área lateral de um cilindro , vazão volumétrica
, número de Reynolds
, Prandtl
, correlações de Nusselt para escoamento totalmente desenvolvido (turbulento no tubo grande, laminar no microcanal) com parede a temperatura constante.
– em (a) comparar a área de troca térmica de um tubo único de diâmetro interno
– em (b) calcular o coeficiente convectivo
– em (c) calcular
Usaremos: área lateral de um cilindro
Passo 2
Calcular as áreas superficiais por unidade de comprimento
:
tubo único:
tubo único:
conjunto de microcanais:
razão:
Passo 3
Para o tubo de
e
:
- Vazão volumétrica e velocidade média:
- Reynolds e Prandtl:
- Regime turbulento, parede a temperatura constante – usamos correlação de Dittus–Boelter (ou similar para parede isotérmica):
Passo 4
Para um microcanal de
e mesma
:
- Vazão por canal e velocidade:
- Reynolds no microcanal:
- Em regime laminar totalmente desenvolvido com parede isotérmica vale
. Assim
Ganho em
:
Se quisermos comparar a capacidade global de troca
, temos incremento total
-vezes.
Resposta
a.
.
b. .
c. ; intensificação em
de
-vez e em
de
-vezes.
b.
c.