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3 Lista de exerccios trocador de calor 2013

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1 
Fenômenos de Transferência II 
 
Lista 3 
 
Problema 1: 
Um trocador de calor deve ser projetado para pré-aquecer uma vazão de 10.000 kg/h 
de água de caldeira de 30 ºC até 90 ºC utilizando uma corrente de gás de chaminé com vazão 
de 90.000 kg/h, disponibilizada a uma temperatura de 300 ºC. Considerando uma 
configuração de escoamento com uma passagem no casco e duas passagens nos tubos, com 
coeficiente global de transferência de calor equivalente a 400 W/m2K, determinar uma 
estimativa inicial da área de troca térmica do equipamento para a execução do serviço. 
 
Problema 2: 
Considerando o projeto relativo ao problema anterior em um cenário onde a vazão de 
água de caldeira for aumentada em 50%, qual será o novo valor de temperatura de saída 
alcançado para a água. Observe que como o coeficiente global de transferência de calor é 
determinado basicamente pelo comportamento da corrente de gás, nesta análise o coeficiente 
global de transferência de calor pode ser considerado constante. 
 
Problema 3: 
 Um trocador de calor contracorrente com 30 m2 será utilizado para resfriar uma 
corrente de óleo com vazão de 75.000 kg/h de 100 ºC até 60 ºC utilizando água de 
resfriamento a 30 ºC e retorno a 40 ºC. Avaliar o excesso de área disponível no equipamento 
para o serviço. Assumir um valor de 2000 W/m2K para o coeficiente global de transferência 
de calor. 
 
Problema 4: 
 Após entrar em operação, o trocador do problema anterior, devido a problemas de 
manutenção na operação da torre de resfriamento, deverá a receber a corrente de água a uma 
temperatura de 35 ºC. Neste caso, qual será o novo valor da temperatura de saída do óleo. 
 
Problema 5: 
 Água a uma vazão de 68 kg/min deve ser aquecida de 35 ºC até 75 ºC utilizando óleo 
em um trocador de calor bitubular. O óleo é alimentado a 110 ºC e retirado a 60 ºC. Supondo 
coeficiente global de transferência de calor igual a 320 W/m2⋅K, determinar a área de 
transferência de calor para escoamento contracorrente e a área de transferência de calor para 
escoamento em paralelo. 
 
Problema 6: 
 Uma corrente de 1 kg/s de água quente a 90 ºC deve ser resfriada até 40 ºC utilizando 
água de resfriamento a 32 ºC e retorno máximo a 40 ºC. Uma opção proposta para este serviço 
envolve a utilização de um trocador com uma passagem no casco e duas passagens nos tubos 
(1-2), onde o coeficiente global de transferência de calor pode ser estimado preliminarmente 
como 900 W/m2⋅K. Determinar o número total de tubos do trocador considerando tubos de 10 
ft de comprimento e 3/4 in de diâmetro externo compostos de aço inoxidável (condutividade 
térmica 20 W/mK) com espessura de 1,65 mm. 
 
Problema 7: 
 Uma corrente de 15.000 kg/h de vapor saturado a 28 kgf/cm2g deve ser condensada 
em um trocador com uma passagem no casco e quatro passagens nos tubos utilizando água de 
resfriamento a 32 ºC e retorno a 40 ºC. A condensação ocorrerá no lado do casco, associada a 
um coeficiente de convecção de 8000 W/m2·K. O escoamento da água nos tubos corresponde 
 2 
a um coeficiente de convecção de 1000 W/m2·K. Determinar a área de troca térmica mínima 
para a execução do serviço. Os fatores de incrustação são 0,0001 m2K/W e 0,0004 m2K/W, 
respectivamente, para o vapor e para a água. O trocador será construído com tubos de aço 
carbono (condutividade térmica 50 W/m·K) de 3/4 in de diâmetro BWG 16 (diâmetro externo 
3/4 in e espessura da parede 0,065 in) 
 
Problema 8: 
 O projeto do problema anterior foi executado com 10% de excesso de área. 
Considerando que no início da operação da unidade, os coeficientes de convecção serão os 
mesmos do projeto, qual será a capacidade do equipamento na partida? 
 
Problema 9: 
 No trocador do Problema 7, verifica-se em operação que o fator de incrustação para a 
água foi subestimado no projeto, sendo o valor assintótico real 50% maior que o previsto. 
Qual será a redução percentual da capacidade da unidade neste caso? 
 
Problema 10 (Exame Nacional de Cursos 2003): • 
 Um trocador de calor do tipo casco e tubos 1-2 (uma passagem no casco e duas 
passagens nos tubos), opera como condensador. Vapor d´água saturado é alimentado no 
casco, deixando o trocador na forma de líquido saturado. Água de resfriamento escoa pelos 
tubos. Admitindo que tanto a perda de calor para as vizinhanças como as variações das 
energias cinética e potencial são desprezíveis, determinar a temperatura de saída da água de 
resfriamento no condensador. Dados do problema: temperatura do vapor: 106 ºC, vazão 
mássica da água: 3 kg/s, temperatura de entrada da água: 20 ºC, área do trocador: 4 m2, 
coeficiente global de transferência de calor: 1000 W/m2⋅K, calor específico da água: 4100 
J/kg⋅K. Resposta: 45,8 ºC 
 
Problema 11 (Prova BR Distribuidora - Engenheiro Químico 2008): 
Considere os seguintes dados: (i) Campanha de 10 meses; (ii) Fator de incrustação 
como função do tempo: )1(0045,0)( 1,0 tetR −−= para R em h.m/Kcal e t em meses, onde e = 
2,72; (iii) Coeficiente global para o trocador novo e sem incrustação: 60 kcal/hºCm2. 
Determinar o valor do coeficiente global de transferência de calor, em kcal/ hºCm2. 
 
Problema 12 (Prova Petrobras - Engenheiro de Processamento - 2010): 
Em relação às leis da termodinâmica em trocadores de calor, um Engenheiro de 
Processamento deve reconhecer que: 
(A) se um dos fluidos mudar de fase, o outro fluido ficará sujeito à menor diferença 
possível de temperatura. 
(B) se, em um trocador de calor hipotético, de comprimento tendendo a infinito e 
operando em contracorrente, a capacidade calorífica do fluido frio fosse menor do que a do 
fluido quente, o fluido frio experimentaria a maior variação absoluta de temperatura, sendo 
então aquecido até a temperatura de entrada do fluido quente. 
(C) o fluido que experimenta a maior variação de temperatura é aquele de maior 
capacidade calorífica. 
(D) a média logarítmica da diferença de temperatura negativa, significando que o 
limite termodinâmico em um trocador foi atingido e que não haverá mais transferência de 
calor entre as correntes, é possível ser obtida. 
(E) a máxima taxa de calor trocado entre as correntes fria e quente é dada pelo produto 
entre a maior capacidade calorífica dentre as dos dois fluidos, e a máxima diferença de 
temperatura existente no trocador. 
 
 3 
Problema 13 (Prova Petrobras - Engenheiro de Processamento - 2010): 
No projeto de trocadores de calor, dois métodos podem ser adotados: o método da 
média logarítmica da diferença de temperatura (MLDT) e o método da efetividade-NUT. Com 
relação a esses dois métodos, analise as afirmativas a seguir. 
I - Para que o trocador seja viável economicamente, a sua efetividade deve ser maior do que 2. 
II - Quanto maior o número de unidades de transferência, maior é a área de um trocador. 
III - O cálculo da média logarítmica da diferença de temperatura é o mesmo, independente do 
tipo de trocador de calor e da orientação das correntes (contracorrente ou cocorrente). 
IV - Se as temperaturas das correntes fria e quente estiverem em graus Celsius, a MLDT será 
dada também em graus Celsius, tendo-se de adicionar 273,15 para transformá-la em Kelvin. 
V - Devem-se preferir trocadores que operem em contracorrente, visto que a área requerida de 
troca térmica é menor, para uma mesma quantidade de calor trocado. 
Está correto APENAS o que se afirma em 
(A) II e V. (B) III e IV. (C) I, II, e III. (D) I, IV e V. (E) II, III e V. 
 
Problema 14 (Prova Petrobras - Engenheiro de Processamento - 2010): 
Em trocadores de calor, as correntes podem ser paralelas e cruzadas, estando em 
contracorrente ou cocorrentes. Em relação às temperaturas de entrada e de saída dos fluidos 
quente e frio, é INCORRETO afirmar que, em um arranjo: 
(A) contracorrente, a temperatura do fluido quente na entrada é sempre maior do que a 
temperaturado fluido frio na saída. 
(B) contracorrente, é impossível o fluido quente na saída ter uma temperatura menor 
do que a do fluido frio na entrada. 
(C) contracorrente, a temperatura do fluido quente na saída pode ser menor do que a 
temperatura do fluido frio na saída. 
(D) cocorrente, as temperaturas dos dois fluidos na saída podem ser iguais, se o 
trocador tiver um comprimento infinito. 
(E) cocorrente, a temperatura do fluido quente na saída pode ser menor do que a 
temperatura do fluido frio na saída. 
 
Problema 15 (Prova Petrobras - Engenheiro de Processamento - 2011): 
Uma corrente de água (capacidade térmica específica = 4,2 kJ·kg-1·K-1), com vazão 
mássica de 1 kg/s, deve ser aquecida de 50 ºC a 150 ºC, trocando calor com uma corrente de 
óleo (capacidade térmica específica = 2,1 kJ·kg-1·K-1), com vazão mássica de 2 kg/s a 200 oC 
em um trocador tubular contracorrente. Os valores dos coeficientes de convecção associados 
ao escoamento das correntes de água e de óleo são, ambos, iguais a 2,0 kW·m-2·K-1. A 
resistência total de depósito é igual a 0,001 m2·K·W-1, e os efeitos relativos à espessura da 
parede dos tubos podem ser desprezados. A área mínima de transferência de calor desse 
trocador deve ser igual a: 
(A) 1,1 m2 (B) 2,1 m2 (C) 4,2 m2 (D) 8,4 m2 (E) 16,8 m2 
 
Problema 16 (Prova Petrobras - Engenheiro de Processamento - 2011): 
O coeficiente global de transferência de calor de um trocador, incluindo as resistências 
de depósito, é igual a 2,0 kW·m-2·K-1, e o valor correspondente da resistência total de depósito 
é 0,0001 m2·K·W-1. Na hipótese de haver condições de deposição muito mais severas, com a 
resistência total de depósito sendo multiplicada por 6 e mantidas as demais condições 
constantes, o novo valor do coeficiente global de transferência de calor será reduzido em: 
 (A) 10% (B) 25% (C) 50% (D) 75% (E) 100% 
 
 4 
Problema 17 (Prova Petrobras - Engenheiro de Processamento - 2011): 
Em relação à transferência de calor entre uma corrente quente e uma corrente fria em 
um trocador de calor, analise as afirmativas a seguir. 
I - Sempre haverá variação de temperatura nas correntes fria e quente, devido à 
transferência de calor. 
II - A temperatura de saída da corrente fria pode ser superior à temperatura de entrada 
da corrente quente em um trocador de calor contracorrente, mas nunca em um trocador co-
corrente. 
III - Em um trocador de calor contracorrente, é possível que a diferença de temperatura 
entre a corrente quente e a corrente fria permaneça constante ao longo da área de 
transferência. 
IV - Em um trocador sem mudança de fase, para que a temperatura de saída da 
corrente quente seja igual à temperatura de saída da corrente fria, um trocador co-corrente 
deve possuir área infinita. 
V - O limite termodinâmico da taxa de transferência de calor corresponde ao produto 
da vazão mássica pela capacidade térmica específica da corrente fria, multiplicada pela 
diferença entre as temperaturas de entrada das correntes. 
São corretas APENAS as afirmativas: 
(A) I e II. (B) I e V. (C) II e IV. (D) III e IV. (E) II, III e V. 
 
Tabela de Propriedades Físicas: 
 
Material ρ (kg/m3) Cp (J/kg⋅ºC) µ (Pa⋅s) k (W/m⋅K) 
Gás de chaminé 0,8 1000 250⋅10-7 0,040 
Água 1000 4200 1,0⋅10-3 0,60 
Óleo 800 2000 0,0725 0,14 
Aço inoxidável 7900 477 - 20

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