Um pré-aquecedor de feixe de tubos, com arranjo alternado (staggered), é usado para aquecer ar. O equipamento possui tubos com 10 mm de diâmetro externo e
de comprimento, organizados em uma matriz de 14 tubos por fila, distribuídos em 14 filas. A geometria do feixe é definida por um passo transversal de 18 mm e um passo longitudinal de
ar, atuando como fluido frio, entra no sistema a
e pressão atmosférica (1 atm) com uma velocidade livre de
, fluindo externamente ao feixe em escoamento cruzado. No interior dos tubos, circula vapor saturado a
que, ao condensar, mantém a temperatura do fluido quente constante.
Com base nessas informações, responda às seguintes perguntas:
a) Qual é a taxa de transferência de calor total para o ar?
b) Qual é a queda de pressão associada ao escoamento do ar?
a) Qual é a taxa de transferência de calor total para o ar?
b) Qual é a queda de pressão associada ao escoamento do ar?
Passo 1
Resumindo: temos um trocador de calor de feixe de tubos em arranjo staggered
, cada tubo com diâmetro externo
mm e comprimento
m, espaçamentos transversal
mm e longitudinal
mm. O ar flui externamente em escoamento cruzado a
m/s,
C e
atm. No interior dos tubos circula vapor saturado a
C (temperatura de parede constante). Pede-se (a) a taxa total de calor transferido ao ar e (b) a queda de pressão no ar. Vamos usar correlações de Zukauskas/Kays–London para convecção externa em bancos de tubos e método de eficácia/NTU para escoamento com um fluido a temperatura constante; depois, correlações de perda de carga por fileira de tubos para Δ
.
Passo 2
Propriedades do ar (à temperatura‐filme média ≃
C):
kg/
,
P
,
W/
,
J/k
,
.
Área frontal do feixe
Área frontal do feixe
Vazão mássica de ar
Número de Reynolds de cilindro
Passo 3
Coeficiente de transferência de calor externo usando correlação de Zukauskas para arranjo staggered,
entre 0,7 e 200,
, número de fileiras
:
com
,
. Logo
O coeficiente de película é
Passo 4
Área total de troca (superfície externa dos tubos)
Como o vapor dentro dos tubos está a
C constante, isso equivale a um trocador de calor crossflow com um fluido à temperatura fixa (infinita capacidade térmica) e o outro fluido (ar) misturado. A equação de balanço de energia é
onde
com
C e
C. Substituindo
e notando que
, obtemos
Numeração:
W/K,
W/K, logo
.
Portanto
Portanto
e
Passo 5
Para a queda de pressão no escoamento do ar em banco staggered, usa‐se o coeficiente de perda por fileira
disponível em tabelas/Kays–London para
,
e
, tipicamente
.
O coeficiente total de perda é
O coeficiente total de perda é
de modo que
Resposta
(a)
W.
(b) Pa.
(b)