Óleo quente deve ser resfriado com água em um trocador de calor com 1 passo no casco e 8 nos tubos. Os tubos tem paredes finas de cobre e diâmetro interno de
. O comprimento de cada passo de tubo é 5 m , e o coeficiente global de transferência de calor é
. A água escoa nos tubos a uma vazão de
e o óleo escoa no casco a uma vazão de
. A água e o óleo entram com temperaturas de
e
, respectivamente. Determine a taxa de transferência de calor no trocador de calor e as temperaturas de saída dos fluidos.
Respostas:
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Passo 1
Resumo da Questão e Conteúdo
Temos um trocador de calor onde óleo quente precisa ser resfriado usando água. O trocador tem 1 passo no casco e 8 passos nos tubos. Para resolver esse exercício, vamos precisar entender os conceitos de transferência de calor, coeficiente global de transferência de calor, fluxo de massa e balanço de energia. Vamos calcular a taxa de transferência de calor e as temperaturas de saída tanto da água quanto do óleo.
Passo 2
Determinar a Área de Transferência de Calor
Primeiro, vamos calcular a área total disponível para a transferência de calor. Sabemos que cada passo de tubo tem 5 metros e há 8 passos nos tubos, totalizando:
Mas como os tubos têm paredes finas e estamos considerando apenas o diâmetro interno, a área de transferência de calor (
) será:
Onde:
-
(diâmetro interno) -
(comprimento de cada passo) -
(número de passos)
Passo 3
Calcular a Taxa de Transferência de Calor
Usamos a fórmula da transferência de calor:
Onde:
-
(coeficiente global de transferência) -
(área total) -
é a diferença de temperatura média logarítmica
Para simplificar, assumimos condições de contrafluxo e calculamos
:
Mas para este exercício, usando os dados fornecidos e simplificando os cálculos, chegamos a:
Passo 4
Determinar as Temperaturas de Saída dos Fluidos
Usamos o balanço de energia para cada fluido.
Para a água:
Isolando
:
Considerando
:
Para o óleo:
Isolando
:
Considerando
: