Enunciado

73. Um termossifão é formado por um recipiente fechado que absorve calor ao longo de sua seção de ebulição e rejeita calor ao longo de sua seção de condensação. Considere um termossifão formado por um cilindro de aço inoxidável, polido mecanicamente, que tem paredes finas e um diâmetro D. O calor fornecido ao termossifão ferve água saturada à pressão atmosférica sobre as superfícies da seção de ebulição (região inferior), que tem comprimento Le. O calor é então rejeitado na condensação do vapor, formando um fino filme que desce por gravidade ao longo da parede da seção de condensação, com comprimento Lc, retornando para a seção de ebulição. As duas seções são separadas por uma seção termicamente isolada, que tem comprimento Li. A superfície superior da seção de condensação pode ser tratada como estando termicamente isolada. As dimensões do termossifão são: D = 20 mm, Le = 20 mm, Lc = 40 mm e Li = 40 mm.

(a) Determine a temperatura média da superfície de ebulição, Ts,e, se o fluxo térmico na ebulição nucleada deve ser mantido a 30% do fluxo térmico crítico.

(b) Determine a taxa de condensação total, , e a temperatura média da superfície da seção de condensação, Ts,c.

Passo 1

Letra (a)

Para a ebulição de um nucleado, o fluxo de calor crítico é dado pela relação:

q m a x ' ' = C h f g ρ v σ g ρ l - ρ v ρ v 2 1 / 4

Para chapas horizontais longas, a constante  C é 0,149

Substituindo os valores na equação para o calculo do fluxo máximo de calor vem que:

q m a x ' ' = 1,26 × 10 6 W m 2

O fluxo de calor para a seção de ebulição é 30% do fluxo crítico de calor,

q s , b ' ' = 0,30   q m a x ' '

Usando a correlação de Rohsenow para a ebulição de nucleados com temperatura saturada  T s a t = 100 ° C , calcule a temperatura média da superfície da superfície de ebulição em  T s a t = 100 ° C

q s ' ' = μ l h f g g ( ρ l - ρ v σ 1 / 2 c p , l ∆ T e C s , f h f g P r a n d l n 3

Na Tabela 10.1, para esta combinação de superfície de cobre líquido, leia C s , f = 0,013   e   n = 1 .

Substituindo todos os valores e rearranjando a equação acima obtemos :

T s , b = 114 ° C

Portanto, a temperatura média da superfície  T s , b   é 114 ° C  

Passo 2

O calor transferido para a seção de ebulição deve ser rejeitado por condensação de filme, usando a seguinte relação:

q c = q s , b ' ' π D 2 4 + π D L b

= 594   W

O número de Reynolds é

R e δ = 4 q c π D h f g ' μ l

Suponha  h f g ' = h f g .

R e δ = 53,5

Assim, o fluxo é laminar ondulado.

O coeficiente médio de transferência de calor é dado por:

h - L = k l v l 2 g 1 / 3 R e δ 1,08   R e δ 1,22 - 5,2

= 12290 W m 2 . K

A temperatura média da superfície da seção de condensado é obtida por:

T s a t - T s , c = q c h - L π D L c

T s , c = 80,8   ° C

Portanto, a temperatura média da superfície da seção de condensado é  80,8   ° C

O calor latente corrigido pode ser expresso como

h f g ' = h f g + 0,68   c p , l T s a t - T c       ( 4 )

Ao substituir os valores dos parâmetros na relação acima, temos

h f g ' = 2,31 × 10 6 k J k g  

A vazão total da condensação é obtidia com a equação famosa usado neste capítulo:

m ˙ = q c h f g '

= 2,6 × 10 - 4 k g s

Portanto, a vazão total da condensação é  2,6 × 10 - 4 k g s

Resposta

  1. T s , b = 114 ° C
  2. T s , c = 80,8   ° C m ˙ = 2,6 × 10 - 4 k g s
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