Um superaquecedor tem tubos de diâmetro externo de 50 mm , com arranjo alinhado e passos longitudinal e transversal de 75 mm . Ele está localizado logo após a saída da fornalha, onde gases a
escoam com velocidade de
. Determine a área de troca do superaquecedor para produção de
de vapor superaquecido a
e 40 bar man. Considere o coeficiente interno de transferência de calor no tubo igual a
. K e o fluxo total de gases de
.
Passo 1
Resumo do problema e conteúdo
Queremos superaquecer t/h de vapor saturado a
bar (temperatura de saturação
) até
. O superaquecedor é um feixe de tubos de diâmetro externo
mm em arranjo alinhado com espaçamento longitudinal e transversal
mm. Do lado do tubo há convecção interna com coeficiente
W/
K; do lado externo circulam gases a
com vazão mássica
kg/h e velocidade
m/s.
Conteúdo aplicado:
. Cálculo de carga térmica
para o aquecimento do vapor (
).
. Cálculo do coeficiente externo
em escoamento transversal sobre tubos (correlação de Zukauskas).
. Cálculo do coeficiente global
.
. Balanço energético para obter
.
. Cálculo do LMTD e da área necessária
.
Queremos superaquecer
Conteúdo aplicado:
Passo 2
Cálculo da vazão mássica de vapor e da carga térmica
A vazão é
A vazão é
Considerando
e
, adota-se
. Então
Passo 3
Dados do gás e propriedades à temperatura-filme
A vazão mássica de gases é
A vazão mássica de gases é
Temperatura de filme aproximada
Propriedades do gás em
:
,
,
,
.
Passo 4
Número de Reynolds e de Prandtl do gás
Diâmetro externo do tubo m e velocidade
m/s:
Diâmetro externo do tubo
Passo 5
Coeficiente externo
por correlação de Zukauskas
Para escoamento transversal em arranjo alinhado e adota-se, por exemplo,
Para escoamento transversal em arranjo alinhado e
Logo
Passo 6
Coeficiente global de troca
Considerando apenas as resistências convectivas interna e externa:
Considerando apenas as resistências convectivas interna e externa:
Passo 7
Temperatura de saída dos gases e LMTD
Balanço de energia no lado gás:
Balanço de energia no lado gás:
Diferenças de temperatura
K,
K.
Passo 8
Área de troca requerida
Resposta
A área de troca necessária para o superaquecedor é aproximadamente
.