cap 11 troc adores decal or

ENG-278 – Transferência de Calor e de Massa Capítulo 11 – Trocadores de Calor

1

Trocadores de calor Arranjo do escoamento

Correntes paralelas

Correntes Contrárias

Correntes Cruzadas Não misturado

Um fluido misturado

Correntes mistas


2

Trocadores de calor Tipos de construção

Correntes cruzadas

Casco e tubo

Saída do

casco

Entrada

no casco

Entrada

no tubo

Saída

do tubo

Compactos (Área/Volume ≥ 700 m2/m3)

Fluido Quente

Fluido Frio


3

Trocadores Casco e Tubo

Identificação Padrão TEMA (Tubular Exchanger Manufactures Association)


4



5



6

Trocadores compactos Trocador de placas

Usado para fluidos viscosos. Comum nas indústrias de alimentos.


7

Trocadores compactos Trocador de placas


8


9


10

Fator de correção da média logarítmica da diferença de temperatura

Exemplo de gráfico (página 460)

Te, Ts = Temperaturas de entrada e saída do fluido quente.

te, ts = Temperaturas de entrada e saída do fluido frio.


11

Relação Efetividade-Número de Unidades

de Transferência (ε-NUT) Exemplo de gráfico (página 467) e Equação (página 465)

Eq. 11.33: ( )[ ]

−−−= 11

1 780220 ,r

,

r

NUTCexpNUTC

expε


12

Exemplo 11.2 Um trocador de calor de casco e tubo deve ser projetado para aquecer 2,5 kg/s de água de 15 a 85ºC. O aquecimento deve ser realizado pela passagem de óleo quente que se encontra a 160ºC, através do lado do casco do trocador. Sabe-se que o óleo de motor fornece um coeficiente de convecção he = 400 W/m2⋅K no lado externo dos tubos (carcaça). A água escoa no interior de 10 tubos, cada tubo apresenta parede delgada de D = 25 mm de diâmetro, e faz oito passes no casco. Se o óleo deixa o trocador a 100ºC, qual sua taxa mássica de escoamento? Qual deve ser o comprimento dos tubos para fornecer o aquecimento desejado? Dados Propriedades do óleo de motor (Tabela A5) - CTh º130=

cp = 2350 J/kg⋅K Propriedades da água (Tabela A6) - CTc º50=

cp = 4181 J/kg⋅K µ = 5,48×10-4 kg/m⋅s k = 0,643 W/m2⋅K Pr = 3,56 Correlações para escoamento interno

Escoamento laminar .36,4 constq

k

hDNu sD =′′=≡

.66,3 constTk

hDNu sD ==≡

Escoamento Turbulento Correlação de Colburn

( ) ( )msms

nDD

TTnouTTn

Nu

<=>=

=

3,04,0

PrRe023,0 54

101000016070 ≥≥<< DLRePr, D


13

Exemplo 11.3 Gases quentes de exaustão entram em um tubo aletado de um trocador de calor com correntes cruzadas a 300 ºC e saem a 100 ºC. Estes gases são utilizados para aquecer água pressurizada a uma vazão de 1 kg/s de 35 a 125 ºC. O calor específico do gás de exaustão é aproximadamente 1000 J/kg⋅K e o coeficiente global de transferência de calor é U = 100 W/m2⋅K. Determine a área necessária para a troca de calor utilizando a) o método e-NUT e b) o método DTML. Dados

Propriedades da água (Tabela A6) - CTc º80= cp = 4197 J/kg⋅K Propriedades do gás de exaustão cp = 1000 J/kg⋅K


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Exercício 11.23

Um radiador de automóvel pode ser visto como um trocador de calor, como mostrado.

Água com vazão de 0,05 kg/s entra no radiador a 400 K e sai a 330 K, sendo resfriada pelo ar que entra a 0,75 kg/s e 300 K. (a) Classifique o trocador quanto ao arranjo do escoamento. (b) Se o coeficiente global de transferência de calor é de 200 W/m2⋅K, qual é a área da superfície necessária para a transferência de calor? Compare os resultados usando os métodos MLDT e ε-NUT. Dados

Propriedades da água (Tabela A.6) - CTh º365=

cp = 4209 J/kg⋅K Propriedades do Ar (Tabela A.4) - CTc º310≈

cp = 1007 J/kg⋅K

Água

Th,e

Ar Atmosférico

V, Tc,e

Tc,s

Placas

Th,s


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Exercício 11.43

Um trocador de calor de placa aletada é utilizado para condensar vapor saturado de R-12 em um sistema de ar condicionado, conforme a figura abaixo.

O vapor possui uma temperatura de saturação de 45 ºC, e uma taxa de condensação de 0,015 kg/s é necessária para os requisitos de desempenho do sistema. O projeto do condensador deve ser baseado na temperatura nominal de entrada do ar Tc,e = 30 ºC, com área frontal Afr = 0,25 m2 e velocidade nominal do ar V = 2 m/s, para o qual o catálogo do fabricante do trocador de calor indica um coeficiente global de U = 50 W/m2⋅K. (a) Classifique o trocador quanto ao arranjo do escoamento. (b) Qual é o valor correspondente da área da superfície de transferência de calor necessária para atingir a taxa de condensação necessária? (c) Qual é a temperatura de saída do ar? Considere calor latente do R-12 hl = 1,35×105 J/kg, ρar = 1,17 kg/m3 e Cpar = 1007 J/kg⋅K.


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Figura 11.12 - Fator de correção para um trocador de calor de passe único com correntes

cruzadas e dois fluidos não misturados.

Figura 11.18 – Efetividade para um trocador de calor de passe único com correntes cruzadas e

dois fluidos não misturados (equação 11.33).

( ) ( )[ ]{ }

−−

−=ε 1exp

1exp1 78,022,0 NUTCNUT

Cr

r

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