Um trocador de calor casco e tubos (dois passes no casco e quatro passes nos tubos) é usado para aquecer
de água pressurizada de 35 a
, utilizando
de água pressurizada que entra no trocador a
; Sendo o coeficiente global de transferência de calor igual a
, determine a área de transferência de calor requerida usando o método da Média Logarítmica das Diferenças de Temperatura e da Efetividade-NUT.
Dados: Água fria:
; Água quente:
.
Dados: Água fria:
Passo 1
Vamos dar uma olhada no que o exercício está pedindo. Temos um trocador de calor casco e tubos com dois passes no casco e quatro passes nos tubos. A tarefa é aquecer 10.000 kg/h de água de 35°C para 120°C usando 5.000 kg/h de água quente que entra a 300°C. O coeficiente global de transferência de calor é 1500 W/(m²·K). Precisamos determinar a área de transferência de calor necessária usando dois métodos: Média Logarítmica das Diferenças de Temperatura (LMTD) e a Efetividade-NTU. Para isso, vamos precisar entender conceitos de transferência de calor, propriedades da água e os métodos mencionados.
Passo 2
Primeiro, vamos identificar os dados fornecidos:
- Fluxo de massa da água fria (m_c): 10.000 kg/h
- Temperatura de entrada da água fria (T_c,in): 35°C
- Temperatura de saída da água fria (T_c,out): 120°C
- Fluxo de massa da água quente (m_h): 5.000 kg/h
- Temperatura de entrada da água quente (T_h,in): 300°C
- Coeficiente global de transferência de calor (U): 1500 W/(m²·K)
- Capacidade calorífica da água fria (c_p,c): 4195 J/(kg·K)
- Capacidade calorífica da água quente (c_p,h): 4660 J/(kg·K)
Passo 3
Vamos converter as unidades de fluxo de massa de kg/h para kg/s, pois o coeficiente U está em unidades de SI.
Passo 4
Agora, calculamos a capacidade térmica das águas:
Passo 5
Identificamos o lado limitante para a transferência de calor. Como
, a água quente é o lado limitante. Agora, calculamos a taxa máxima de transferência de calor (
):
Passo 6
Calculamos a taxa real de transferência de calor (
), usando a variação de temperatura da água fria:
Passo 7
Agora, vamos usar o método da Média Logarítmica das Diferenças de Temperatura (LMTD) para encontrar a área de transferência de calor (
):
Primeiro, calculamos as diferenças de temperatura nas extremidades:
Primeiro, calculamos as diferenças de temperatura nas extremidades:
Para determinar
, usamos:
Então:
Agora, calculamos a LMTD:
Passo 8
Finalmente, calculamos a área utilizando a fórmula do LMTD:
Rearranjando para
:
Resposta
A área de transferência de calor requerida é aproximadamente 4,6 metros quadrados.