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Transmissão de calor - Profa. Adriana S. França - 4ª Avaliação - 1º semestre 2015

Nome:

1) (7 pontos) Deseja-se resfriar um fluido (2 kg/s. cp = 3500 J/kgK) de 90 a 45oC, utilizando água a 20oC (2,5 kg/s, cp = 4180 J/KgK) em um trocador casco e tubos. Dispõe-se de 40 tubos de 10cm de diâmetro interno e 2m de comprimento diversas conexões em U. Para as configurações listadas a seguir, determine qual seria a mais eficiente e calcule o coeficiente global de troca de calor para a configuração escolhida. a) 2 passes nos tubos 1 passe no casco b) 4 passes nos tubos e 2 passes no casco

2) (5 pontos) Em uma operação do coração sob condições hipotérmicas, o sangue de um paciente é resfriado antes da

cirurgia e reaquecido subsequentemente. É proposto que um trocador de calor de correntes contrárias de 0,5m de

comprimento seja usado para esta finalidade, com um tubo concêntrico de parede delgada com diâmetro interno de

50mm. O calor específico do sangue é 3500 J/kgK. Se 0,10kg/s de água a 60oC são utilizados para aquecer 0,05 kg/s

de sangue entrando no trocador a 18oC , qual é a temperatura do sangue na saída do trocador? O coeficiente global de

troca é de 500 W/m2K e o calor específico da água é 4200 J/kgK.

3) (8 pontos) Em um sistema de potência de Rankine, 1,5 kg/s de vapor saturado (0,5 bar, 355K, ∆hvap=2 x 106 J/kg) deixa a turbina e é condensado através da passagem sobre os tubos de um trocador de calor casco e tubos (um passe no casco, 2 passes nos tubos), constituído de 100 tubos de 10 mm de diâmetro. Água a 280K (cp = 4200 J/kgK) escoa nos tubos a uma vazão de 15 kg/s. Sabendo que o coeficiente global de troca de calor é de 3500 W/m2K, calcule a temperatura de saída da água e o comprimento por passe de cada tubo. Após uso prolongado, a presença de incrustrações ocasiona uma redução na quantidade de vapor condensando. Sabendo que o calor associado à mudança de fase pode ser calculado pelo produto entre a vazão de vapor ( )vaporm& e o calor de vaporização (∆hvap), avalie qual

será a redução na vazão de vapor associada a uma resistência decorrente do efeito de incrustrações de 1,2 x 10-4 m2K/W, considerando as mesmas temperaturas de entrada dos fluidos.

Formulário:

( )( ) ( ) ( )cecschshehe,ce,hmin

12

12 TTCTTCTTCT/Tln

TTUAq −=−=−ε=

∆∆

∆−∆=

maxminmin /;/ CCCCUANUT

r==

Relações de efetividade para trocador de calor:

Tubos concêntricos

Correntes paralelas ( )[ ]r

r

C1

C1NUTexp1

+

+−−=ε

Correntes contrárias ( )[ ]( )[ ]

1CNUT1

NUT

1CC1NUTexpC1

C1NUTexp1

r

rrr

r

=+

=ε

<−−−

−−−=ε

Casco e tubos

Um passe no casco (2,4,... passes nos tubos)

( ){( )[ ]( )[ ]

1

2/12r

2/12r

2/12rr1

C1NUTexp1

C1NUTexp1

C1C12−

+−−

+−+×

+++=ε

2

n passes no casco (2n,4n,... passes nos tubos)

1

r

n

1

r1

n

1

r1 C1

C11

1

C1−

−

ε−

ε−

−

ε−

ε−=ε

Correntes cruzadas (passe único)

Ambos os fluidos não-misturados ( ) ( )( ){ }

−−

−=ε 1NUTCexpNUT

C

1exp1 78,0

r22,0

r

Cmax (misturado)

Cmin (não-misturado) ( )[ ]{ }( )NUTexp1Cexp1C

1r

r

−−−−

=ε

Cmin (misturado)

Cmax (não-misturado) ( ) [ ]{ }( )NUTCexp1Cexp1 r

1r −−−−=ε −

Todos os trocadores (Cr = 0) [ ]NUTexp1 −−=ε

Relações do parâmetro NUT para trocador de calor

Tubos concêntricos

Correntes paralelas ( )[ ]r

r

C1

C11lnNUT

+

+ε−−=

Correntes contrárias

1C1

NUT

1C1C

1ln

1C

1NUT

r

rrr

=ε−

ε=

<

−ε−ε

−=

Casco e tubos

Um passe no casco (2,4,... passes nos tubos) ( )

( )( ) 2/12

r

r1

2/12r

C1

C1/2E

1E

1ElnC1NUT

+

+−ε=

+−

+−=−

n passes no casco (2n,4n,... passes nos tubos)

Usar as equações para um passe no casco com:

n/1

r

r1 1

1CF

CF

1F

−ε

−ε=

−−

=ε

Correntes cruzadas (passe único)

Cmax (misturado)

Cmin (não-misturado) ( )

ε−

+−= r

r

C1lnC

11lnNUT

Cmin (misturado)

Cmax (não-misturado) ( )[ ]11lnln

1+−

−= ε

r

r

CC

NUT

Todos os trocadores (Cr = 0) ( )ε−−= 1lnNUT

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