Uma unidade geradora de vapor queima carvão pulverizado e tem instalado um superaquecedor de tubos alinhados, com a seguinte configuração:
  • Nf = 96 (número de fileiras);
  • Nc=78 (número de tubos por fileira)
  • De =32 mm (diâmetro externo)
  • st=150 mm
  • sp=65 mm
Assumindo fluxo de gases de combustão de 166,4 kg / s e temperatura média de 620^circ C, calcule a perda de carga no trocador de calor do lado dos gases. Considere massa específica dos gases de combustão 1,31 kg / m^3 n (CNTP) e viscosidade 32 * 10^-6 Pa.s (620^circ C). O superaquecedor está instalado em um canal retangular da caldeira, com dimensões de 6 m times 12 m.

Passo 1

O enunciado pede a perda de carga no lado dos gases ao escoar através do banco de tubos do superaquecedor. Esse é um problema de escoamento em “meio poroso” (o banco de tubos) e podemos usar a forma genérica da equação de Ergun, que combina uma parte viscosa (linear em U) e outra inercial (quadrática em U). Para isso vamos precisar de:
– vazão mássica dos gases dot m = 166,4;kg/s
– densidade rho = 1,31;kg/m^3 e viscosidade mu = 32times10^-6;Pacdot s
– dimensões do canal 6; mtimes12; m
– diâmetro externo dos tubos D = 32;mm
– espaçamentos longitudinal (no sentido do fluxo) sell=150;mm e transversal st=65;mm
– número de fileiras Nf=96.

Passo 2

Calculamos a área da seção reta disponível para o gás no canal:
A = 6; m times 12; m = 72;m^2
Daí a velocidade superficial (vazão volumétrica dividida por área):
U = dot mrho,A = 166,41,31;times 72 approx 1,77;m/s

Passo 3

Tratamos o banco de tubos como um arranjo alinhado em pitch retangular e definimos a porosidade varepsilon (fração de vazio) e o diâmetro hidráulico equivalente drm eq:
varepsilon = 1 - pi D^2/4sell,st, drm eq = 4,(sell,st - pi D^2/4)pi,D
Substituindo D=0,032; m, sell=0,150; m, st=0,065; m:
varepsilon = 1 - pi (0,032)^2/40,150cdot0,065 approx 0,9175,
drm eq = 4,[0,150cdot0,065-pi(0,032)^2/4]picdot0,032 approx 0,356; m

Passo 4

Usamos a forma da equação de Ergun para perda de carga por metro de banco:
De<a pL = 150,(1-varepsilon)^2varepsilon^3,drm eq^2,mu,U + 1,75,(1-varepsilon)varepsilon^3,drm eq,rho,U^2
Inserindo mu=32times10^-6;Pacdot s, rho=1,31;kg/m^3, U=1,77;m/s, varepsilon e drm eq acima obtemos (apenas o segundo termo domina):
De<a pLapprox 2,14;Pa/m

Passo 5

O comprimento total do banco na direção do fluxo é
L = Nf,sell = 96times0,150 = 14,4; m,
logo a perda de carga total é
De<a p = De<a pL,L approx 2,14;Pa/mtimes14,4; m approx 31;Pa

Resposta

A perda de carga no lado dos gases é de aproximadamente 31;Pa.

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