1ª Lista OP II Questões

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA 
FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA 
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ALIMENTOS 
OPERAÇÕES UNITÁRIAS II - LISTA 1 
 
 
 
 
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1) Em uma indústria que processa alimentos tem-se um trocador de calor 
tubo duplo, operando com água (com uma taxa de escoamento de 0,15 kg/s), 
como fluido de aquecimento. Esta corrente é introduzida no equipamento a 
30 ºC e, ao deixá-lo está a 20 ºC. Na outra corrente, salmoura inicialmente a 
-12 ºC é aquecida, sendo que esta solução apresenta ao deixar o equipamento 
uma variação de temperatura de 5,5 ºC. Sabendo que o calor específico da 
água é 4,18x103 J/kg.K, e que o coeficiente global de troca térmica vale 
850 W/m2.K, determine a área do trocador de calor considerando: 
(a) correntes paralelas; 
(b) escoamento contracorrente. 
 
 
2) Deve-se utilizar um trocador de calor bitubular para aquecer uma corrente 
de ar a 27 ºC e 1 atm, escoando na região anular a uma taxa de 0,8 kg/m2.s. 
Os tubos do equipamento apresentam 3 e 5 cm de diâmetro externo (com 
espessura de 1,24 mm) e um comprimento de 2,5 m. Na região interna do 
tubo o fluido (ρ = 961 kg/m3; ν = 0,294.10-6 m2/s; k = 0,68 W/m.ºC; cp = 
4,21kJ/kgº.C) escoa, com vazão de 0,01 kg/s, aquecido a temperatura de 
98 ºC. Sabendo que o coeficiente convectivo de transferência de calor para o 
ar é 138 W/m2.ºC, estime o coeficiente global de transmissão de calor, 
considerando µ/µw = 1,0 e desprezando os efeitos de incrustação e da 
resistência do material do tubo. 
 
 
3) Calcular o coeficiente global de transferência de calor de um tubo de aço 
(condutividade térmica de 54 W/m.ºC) com diâmetro interno de 2,5 cm e 
diâmetro externo de 3,34 cm. 
Considerar: 
hi = 1.800 W/m
2ºC; ho = 1.250 W/m
2ºC; Rdi = Rdo = 0,00018 m
2ºC/W. 
 
Determine, também, qual seria o coeficiente global limpo. 
 
 
4) Vapor de água escoando a 120 kg/h em uma temperatura de 45 ºC é 
condensado em trocador de calor tubo duplo (3 grampos somando 27,43 m de 
comprimento total). A corrente fria que escoa na parte interna do tubo é água 
salgada alimentada a 15ºC, com uma vazão de 1,2 kg/s. O tubo é construído 
em aço doce (condutividade térmica de 45 W/m.K) e possui 22,1 e 25,4 mm, 
respectivamente, de diâmetros interno e externo. O coeficiente convectivo de 
transferência de calor no lado do vapor apresenta um valor igual a 7000 
W/m2.K. Determine: 
 
 
 
a) o coeficiente global de troca térmica sob condições “limpa” e “suja”; 
b) o fator de limpeza; 
c) o acréscimo percentual de área necessário devido às incrustações. 
 
Dados: calor latente de vaporização da água: 2392kJ/kg; 
 calor específico da água: 4,18kJ/kg K; 
 Rdi = 0,000088 m
2K/W; 
 Rdo = 0,000088 m
2K/W. 
 
OBS.: 
fator de limpeza = UD/Uc. 
 
 
5) Seja um trocador de calor tubo-carcaça no qual os tubos possuem 0,025 m 
de diâmetro externo. Neste equipamento álcool etílico (solução a 95 % com 
calor específico igual a 3810 J/kg.K) escoa a uma vazão de 6.93 kg/s, sendo 
resfriado de 66 oC a 42 oC. Como fluido refrigerante, tem-se disponível água 
(calor específico igual a 4187 J/kg.K) a 10 oC e 6,3 kg/s. O dispositivo possui 
72 tubos. O coeficiente global de troca térmica baseado na área externa de 
um tubo é igual a 568 W/m2.K. Determine a área de transferência de calor e o 
comprimento do trocador para as seguintes configurações: 
(a) trocador com correntes em paralelo; 
(b) trocador com escoamento em contracorrente. 
 
 
6) Visando aquecer água a elevada pressão, inicialmente a 70 ºF, um 
trocador de calor do tipo casco e tubo com um passo no tubo com área de 
troca térmica de 50 ft2 e coeficiente global de transferência de calor de 
50 BTU/h ft2ºF é usado para aquecer água a alta pressão. Para esta aplicação, 
utiliza-se ar quente, entrando a 500 ºF. Sabendo que a temperatura da água à 
saída não pode ultrapassar o valor de 200 ºF e que o ar escoa a uma taxa 
3600 lbm/h, determine a taxa de escoamento fluido frio. 
OBS.: considere F  1. 
 
 
7) Para o aquecimento de 60.000 lbm/h de água variando a temperatura de 
185 ºF a 210F, projetou-se de um trocador casco e tubo (configuração 1-2), 
com 1 in de diâmetro externo, composto por 30 tubos. A operação é 
acompanhada pela condensação de vapor a 50 lbf/in2. Determine o 
comprimento dos tubos necessários no equipamento, tendo em conta um 
valor de U de 500 BTU/hft2ºF. São dados: 924 BTU/lb de calor latente do 
vapor (a 50 lbf/in2) e T = 281 ºF. 
 
8) Tem-se 15 ft2 de área superficial em trocador de calor tubo duplo. 
Emprega-se água de refrigeração a 100 ºF e, escoando a 500 lb/h, para 
 
 
 
promover o resfriamento de um óleo inicialmente a 250 ºF. Tem-se como 
restrições operacionais: 
 a temperatura da água ao sair do trocador de calor não poder estar acima 
de 210 ºF; 
 a temperatura do óleo ao sair do trocador de calor não poder ser menor 
que 140 ºF. 
 
São dados: 50 BTU/h ft2.ºF como sendo o valor do coeficiente global de 
transferência de calor; 0,5 BTU/lbm ºF o calor específico do óleo; (m.cp)min é 
o água. 
 
Determine a vazão máxima de óleo na qual este fluido possa ser resfriado, 
levando em conta que a taxa de escoamento da água seja fixada em 500 lb/h. 
 
 
9) Um trocador de calor tubo-carcaça com uma passagem no caso e duas 
passagens nos tubos é aplicado para uma operação com o fluido quente 
escoando na carcaça do sistema de transferência de calor. A água quente tem 
a temperatura reduzida de 180 ºC até 140 ºC e o fluido frio tem a 
temperatura elevada de 50 ºC até 150 ºC. Pede-se: 
a) calcular a área superficial para a transferência de calor de 2.105 Btu/h e 
um coeficiente de 200 Btu/ft2.ºF; 
b) estime a taxa de transferência de calor se a vazão do fluido quente for 
diminuída à metade enquanto as condições de entrada e o coeficiente 
global de transferência de calor são mantidos com o mesmo valor. 
 
 
10) Uma corrente de água escoando a 1,25 kg/s entra a 35 ºC e sai a 80 ºC 
após ser aquecida em um trocador de calor do tipo tubo duplo operando em 
escoamento contracorrente. O fluido de refrigeração (um óleo de calor 
específico de 2,0 kJ/kg.ºC) é resfriado de 150 ºC para 85 ºC. O coeficiente 
global de transferência de calor é 850W/m2.ºC. Em outro local, um arranjo 
parecido necessita ser construído. Entretanto, almeja-se uma comparação do 
desempenho de (como mostrado no esquema): 
 um único trocador de calor escoando em contracorrente; com, 
 dois trocadores de calor menores, com escoamento contracorrente, 
ligados em série no lado da água e em paralelo no lado do óleo. Neste 
arranjo, a vazão de óleo é dividida igualmente entre os dois 
equipamentos. 
 
Pode-se considerar que o coeficiente global de transferência de calor para os 
trocadores menores seja o mesmo do trocador de maiores dimensões. 
 
 
 
 
Se os trocadores menores apresentam custos de investimento 20 % mais 
elevados por unidade de área superficial, determinar qual o arranjo mais 
econômico: um trocador grande ou dois trocadores pequenos de mesmas 
dimensões. 
 
 
Para um trocador grande tem-se: 
 
 
 
 
 
 
Para dois trocadores pequenos tem-se: