Problema 4: O condensador de uma grande usina de potência a vapor é um trocador de calor no qual há condensação de vapor d’água em água líquida. Considere que o condensador é um trocador de calor casco e tubos com um único casco e 30.000 tubos, cada um efetuando dois passes. Os tubos possuem parede delgada e diâmetro
, e o vapor condensa sobre a superfície externa dos tubos, com um coeficiente de transferência de calor associado à condensação igual a
. A taxa de transferência de calor que deve ser efetivada é de
, e isto é atingido pela passagem de água de resfriamento através dos tubos a uma vazão de
( a vazão em cada tubo é, portanto,
). A água entra nos tubos a
, enquanto o vapor condensa a uma temperatura de
. Qual é a temperatura da água de resfriamento na saída do condensador? Qual deve ser o comprimento
por passe nos tubos?
Passo 1
O enunciado descreve um condensador casco-tubos em que o vapor a
condensa na parede externa de
tubos (diâmetro
), cada tubo com 2 passes de água. O coeficiente externo de condensação é
. A vazão total de água é
, ou seja
por tubo; a água entra a
. A potência a remover é
. Vamos (1) calcular a temperatura de saída da água e (2) determinar o comprimento
de cada passe, assumindo resistência apenas pela película de condensação e parede delgada.
Passo 2
Usamos o balanço de energia na água de cada tubo. Como cada tubo transporta
e
, temos para o total de
tubos:
Passo 3
Para achar o comprimento dos tubos, igualamos a taxa de calor por tubo à lei das áreas e coeficiente global
:
onde
Passo 4
A área externa total por tubo é
Como cada tubo faz dois passes de comprimento
, a área é também
Resposta
Temperatura de saída da água: aproximadamente
.
Comprimento de cada passe: aproximadamente .
Comprimento de cada passe: aproximadamente