Um fluido de processo, com calor específico de
e escoando a
, deve ser resfriado de
a
com água gelada, que é fornecida a uma temperatura de
e a uma vazão de
. Considerando um coeficiente global de transferência de calor igual a 2000
, calcule as áreas de transferência de calor necessárias para as seguintes configurações de trocadores de calor: (a) escoamento paralelo, (b) escoamento contracorrente, (c) casco e tubos, um passe no casco e dois passes nos tubos e (d) escoamento cruzado, único passe, dois fluidos não misturados. Compare os resultados de sua análise e indique o melhor trocador considerando eficiência de troca térmica e custos de produção. (
:
e
)
Passo 1
O enunciado trata de um trocador de calor onde um fluido de processo, com vazão mássica de
e calor específico
, deve ser resfriado de
para
por água gelada que entra a
com vazão mássica
e
. O coeficiente global de transferência de calor é
. Precisamos usar o método do LMTD (diferença de temperatura média logarítmica) para escoamentos paralelo e contracorrente, e para casco-tubos e escoamento cruzado aplicaremos fatores de correção
sobre o LMTD ideal.
Passo 2
Calculemos primeiro o fluxo de calor
e a temperatura de saída da água.
Como esta mesma potência é absorvida pela água,
Passo 3
Configuração (a): escoamento paralelo.
As diferenças de temperatura nos dois extremos são
As diferenças de temperatura nos dois extremos são
O LMTD é
A área necessária é
Passo 4
Configuração (b): escoamento contracorrente.
Agora
Agora
Passo 5
Configuração (c): casco e tubos, 1 passe no casco e 2 passes nos tubos.
Usamos o mesmo LMTD ideal do contracorrente, mas introduzimos um fator de correção obtido em diagramas TEMA ou NTU–ε. Para este arranjo típico encontra-se
Usamos o mesmo LMTD ideal do contracorrente, mas introduzimos um fator de correção
Passo 6
Configuração (d): escoamento cruzado, único passe, dois fluidos não misturados.
Novamente aplicamos LMTD ideal do contracorrente e um fator de correção típico
Novamente aplicamos LMTD ideal do contracorrente e um fator de correção típico
Passo 7
Comparando as áreas:
O escoamento contracorrente (b) apresenta a menor área, ou seja, a maior eficiência térmica. No entanto, para critérios de custo e facilidade de fabricação, o trocador casco-tubos (c) é o mais usado na indústria, oferecendo bom compromisso entre desempenho e custo.
Resposta
(a)
(b)
(c)
(d)
(b)
(c)
(d)
Melhor configuração em eficiência térmica: contracorrente.
Melhor configuração na prática (eficiência + custo): casco-tubos 1 passe no casco e 2 passes nos tubos.
Melhor configuração na prática (eficiência + custo): casco-tubos 1 passe no casco e 2 passes nos tubos.