Um trocador de calor condensa vapor d’água em água líquida. Os tubos possuem parede delgada e diâmetro
mm , e o vapor condensa sobre a superfície externa dos tubos, com um coeficiente de transferência de calor associado à condensação igual a he
. O trocador é do tipo casco e tubos com um único casco e 30.000 tubos, cada um efetuando dois passes. A taxa de transferência de calor que deve ser efetivada pelo trocador é de
W , e isto é atingido pela passagem de água de resfriamento através dos tubos a uma vazão de
(a vazão em cada tubo é portanto de
). 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 L , por passe, dos tubos? (R: Tfs
)
Passo 1
O enunciado descreve um trocador casco-tubos em que vapor d’água a
C condensa na face externa de tubos de diâmetro
mm (coeficiente de condensação
W/
·K) e água de resfriamento passa no interior. São
tubos, cada um em 2 passes, e a vazão total de água é
kg/s (logo
kg/s por tubo-passo). O trocador deve remover
W. Pede-se a temperatura de saída da água e o comprimento
de tubo por passe.
Passo 2
Equilíbrio de energia na água:
onde
C e
J/(k
).
Logo
Logo
Passo 3
Para obter o comprimento, usamos a equação de transferência de calor em regime permanente e área total de troca
:
sendo
a diferença de temperatura log-média entre a superfície externa (sempre
C) e a água (de
a
C).
Passo 4
Calcular
:
Passo 5
Estimar o coeficiente global
. Como a parede é delgada e a convecção interna de água em tubo (Re elevado) é forte, tomamos
e adotamos um valor típico
W/
·K para água turbulenta em tubo. Assim
Passo 6
Área total de troca: cada tubo faz 2 passes, logo o número total de trechos em paralelo é
A área somada é
Reescrevendo a equação
para
:
Resposta
A temperatura de saída da água de resfriamento é
C, e o comprimento necessário de tubo por passe é
m.