Um preaquecedor emprega um feixe de tubos em arranjo alternado (staggered) com as mesmas características geométricas e operacionais do caso anterior: tubos com diâmetro externo de 10 mm e comprimento de
, dispostos com 14 tubos por fila, passo transversal de 18 mm e passo longitudinal de 15 mm . O ar entra no sistema a
e velocidade livre de
, enquanto vapor saturado a
condensa no interior dos tubos, mantendo a temperatura do fluido quente constante.
Diferentemente da situação anterior, onde o número de filas era fixo, agora o projeto deve atender a uma temperatura de saída mínima exigida de
(Tout,req
). Esta especificação térmica torna o número de filas uma variável de projeto que deve ser determinada com base no desempenho térmico necessário para alcançar o aquecimento desejado do ar.
Determine:
a. O mínimo número de filas NL ,min necessário para que o ar atinja uma temperatura de saída de pelo menos
.
b. Para o valor de NL,min encontrado, calcule:
- A taxa de transferência de calor Q do sistema
- A queda de pressão
do ar ao atravessar o feixe tubular
b. Para o valor de NL,min encontrado, calcule:
Passo 1
Resumindo: temos um feixe de tubos em arranjo staggered com diâmetro externo
, comprimento
, 14 tubos por fila, passo transversal
e passo longitudinal
. O ar entra a
,
, velocidade livre
; dentro dos tubos há vapor saturado a
(temperatura constante de
C). Queremos achar o número mínimo de filas
para que
e, para esse
, calcular a taxa de calor
e a queda de pressão
no ar.
Passo 2
Calcular a vazão mássica do ar. A área de escoamento é
A densidade do ar a
e 1 atm é
. Logo
Passo 3
Energia necessária para aquecer o ar de
até
:
Passo 4
Diferença de temperatura equivalente
para fluxo cruzado com fluido quente constante:
Passo 5
Área total de troca
, em que
Para atender
, precisamos de
Passo 6
Estimativa de
(resistência interna é muito grande
alto e parede fina). Usamos as correlações de Kays e London para arranjo staggered:
– Número de Reynolds
– fator de j
com
,
, dá
– então
– coeficiente externo
Logo
.
Passo 7
Cada fila fornece
O número mínimo de filas é
Passo 8
Com
, a área total é
e
Assim
Passo 9
Para a queda de pressão usamos a correlação de f para tubo em arranjo staggered:
O diâmetro hidráulico do canal é
O comprimento total nas-fileiras é
.
Logo, considerando :
Logo, considerando
Resposta
a.
filas
b. Para :
Q
b. Para
Q