Um trocador de calor deve ser projetado para pré-aquecer uma vazão de
de água de caldeira de
até
utilizando uma corrente de gás de chaminé com vazão de
, disponibilizada a uma temperatura de
. Considerando uma configuração de escoamento com uma passagem no casco e duas passagens nos tubos, com coeficiente global de transferência de calor equivalente a
, determinar uma estimativa inicial da área de troca térmica do equipamento para a execução do serviço.
Passo 1
Beleza, então a gente tem que projetar um trocador de calor. O objetivo é pré-aquecer 10.000 kg/h de água de caldeira de 110°C até 200°C usando um gás de chaminé que está a 300°C. Vamos usar conceitos de transferência de calor e propriedades dos fluidos pra achar a área necessária desse trocador. Precisaremos calcular a quantidade de calor envolvida e como esse calor vai fluir entre os fluidos.
Passo 2
Primeiro, vamos calcular a quantidade de calor que a água precisa ganhar para aquecer de 110°C para 200°C. A fórmula básica para isso é:
Onde:
-
é a vazão mássica da água (10.000 kg/h) -
é o calor específico da água (~4.186 kJ/kg·K) -
é a variação de temperatura (200°C - 110°C = 90°C)
Passo 3
Vamos converter a vazão mássica de água para kg/s para facilitar os cálculos:
Agora, calculamos o calor necessário:
Passo 4
Agora, precisamos encontrar a diferença de temperatura média logarithmica (ΔTₗm). Para isso, usamos a fórmula:
Onde:
Precisamos achar
, mas como é uma estimativa inicial, vamos assumir que
não está tão baixo. Para simplificar, consideramos
. Isso nos dá:
Passo 5
Agora, usamos a equação da transferência de calor para encontrar a área de troca térmica:
Onde:
Rearranjando para achar
:
Resposta
A estimativa inicial da área de troca térmica necessária para o trocador de calor é de aproximadamente 17,6 m².