Enunciado

Um determinado volume de vapor deve ser condensado no lado da carcaça de um trocador de calor a 85 °F. Água de resfriamento entra nos tubos a 60 °F a uma taxa de 138 lbm/s e sai a 73 °F. Considerando que o trocador de calor esteja bem isolado, determine a taxa de transferência de calor no trocador de calor e da taxa de condensação do vapor.

Passo 1

Temos que o balanço de energia pode ser dado por:

Δ U + E C + E P s i t e m a = Q + W - Δ H + E C + E P c o r r e n t e s

Adotando a tubulação por onde a água fria passa como sistema, temos as seguintes considerações:

  • O processo funciona em regime permanente, Δ U + E C + E P s i s t e m a = 0 ;
  • A variação nas velocidades e altura entre as correntes são desprezíveis, Δ E C + E P c o r r e n t e s = 0 ;
  • Não existe interações de trabalho, W = 0 .

Assim, o balanço de energia ficará da seguinte forma:

Q = Δ H

Q ˙ = m ˙ q u e n t e h q u e n t e - m ˙ f r i a h f r i a

Como não temos diferença nos fluxos de entrada e de saída,

Q ˙ = m ˙ ( h q u e n t e - h f r i a )

Q ˙ = m ˙ c p ( T q u e n t e - T f r i a )

Passo 2

Na tabela A-3E encontrada no final do livro temos que a capacidade calorífica à pressão constante da água é 1,0   B t u / l b m ⋅ ° F , assim:

Q ˙ = 138   l b m / s × 1,0   B t u / l b m ⋅ ° F × 73 ° F - 60 ° F = 1794   B t u / s

Passo 3

Olhando a tabela de A-4E no final do livro, podemos ver que a entalpia de vaporização da água a 85 °F é de 1045,2 Btu/lbm. Observe que a taxa de ganho de calor que a água de resfriamento tem é a mesma da perda de calor pelo vapor de condensação, assim:

Q ˙ = m ˙ v a p o r h l v → m ˙ v a p o r = Q ˙ h l v

Substituindo os dados,

m ˙ v a p o r = 1794   B t u / s 1045,2   B t u / l b m = 1,72   l b m / s

Resposta

Assim, a taxa de transferência de calor no trocador de calor é de 1794 Btu/s, e a taxa de condensação do vapor é de 1,72 lbm/s.

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