Enunciado

Um determinado volume de ar ( c p = 1,005 kJ/kg °C) deve ser preaquecido por gases quentes de exaustão em um trocador de calor com escoamento cruzado ante de entrar em um forno. O ar entra no trocador de calor a 95 kPa e 20 °C, a uma vazão de 0,6 m³/s. Os gases de combustão ( c p = 1,10 kJ/kg °C) entram a 160 °C, a uma vazão de 0,95 kg/s. Determine a taxa de transferência de calor para o ar e a sua temperatura de saída.

Passo 1

Primeiro, observamos como esse processo está sendo executado na figura abaixo:

Vamos selecionar os tubos com gases de exaustão como nosso volume de controle. Temos um processo em regime permanente, o trocador de calor tem um bom isolamento e a transferência de calor ocorre somente entre o fluido quente e o fluido frio. Assim, a equação de balanço de energia do volume de controle é:

- Q ˙ s a i = m ˙ h 2 - h 1 = m ˙ c p ( T 2 - T 1 )

Como para os gases c p = 1,10   k J / k g ⋅ ° C , a taxa de transferência de calor é:

Q ˙ s a i =   0,95 ⋅ 1,1 ⋅ 160 - 9 5 = 67,93   k J / s

Passo 2

A vazão mássica de ar é:

m ˙ = P V ˙ R T = 95 ⋅ 0,6 0,287 ⋅ 293 = 0,6778   k g / s

Temos então que a taxa de transferência de calor dos gases de exaustão é igual a taxa de transferência de calor para o ar e assim, a temperatura de saída do ar é:

Q ˙ = m ˙ a r c p T s a i - T e n t r a → T s a i = T e n t r a + Q ˙ m ˙ a r c p = 20 + 67,93 0,6778 ⋅ 1,005 = 120   ° C  

Resposta

Q ˙ s a i = 67,93   k J / s

T s a i = 120   ° C

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