Lista 3

Prévia do material em texto

TRANSFERÊNCIA DE CALOR 
LISTA DE EXERCÍCIOS 3 – Trocadores de Calor 
 
1 - Em uma caldeira flamatubular, produtos de combustão quente, escoando através de uma 
matriz de tubos com paredes finas, são utilizados para ferver água escoando sobre os tubos. Na 
instalação, o coeficiente global de transferência de calor era igual a 400 W/(m2 · K). Após 1 ano 
de uso, há deposição sobre as superfícies interna e externa dos tubos, correspondendo a fatores 
de deposição de = 0,0015 m2 · K/W e = 0,0005 m2 · K/W, respectivamente. Qual é o 
coeficiente global de transferência de calor após 1 ano de uso? A caldeira deveria ser parada para 
serviços de limpeza das superfícies dos tubos? RESP.: 222 W/m2K; Sim. 
 
2 - Um trocador de calor casco e tubos deve aquecer um líquido ácido que escoa em tubos não 
aletados com diâmetros interno e externo Di = 10 mm e De = 11 mm, respectivamente. Um gás 
quente escoa pelo casco. Para evitar corrosão no material dos tubos, o engenheiro pode 
especificar a utilização de uma liga metálica Ni-Cr-Mo resistente à corrosão (ρm = 8900 kg/m3, 
km = 8 W/(m · K)) ou de fluoreto de polivinilideno (PVDF) (ρf = 1780 kg/m3, kf = 0,17 W/(m · 
K)). Os coeficientes de transferência de calor interno e externo são hi = 1500 W/(m2 · K) e he = 
200 W/(m2 · K), respectivamente. 
(a) Determine a razão entre as áreas das superfícies do plástico e do metal necessárias para 
transferir a mesma quantidade de calor. RESP.: 1,52. 
(b) Determine a razão entre as massas do plástico e do metal associadas aos projetos dos dois 
trocadores de calor. RESP.: 0,304. 
 
3 - Água, a uma vazão de 45.500 kg/h, é aquecida de 80 até 150°C em um trocador de calor que 
tem dois passes no casco e oito passes nos tubos, com uma área superficial total de 925 m2. 
Gases quentes de exaustão, que têm aproximadamente as mesmas propriedades termofísicas do 
ar, entram no trocador a 350°C e o deixam a 175°C. Determine o coeficiente global de 
transferência de calor. RESP.: 29,5W/m2K. 
 
4 - Um fluido de processo, com calor específico de 3500 J/(kg · K) e escoando a 2 kg/s, deve ser 
resfriado de 80°C a 50°C com água gelada, que é fornecida a uma temperatura de 15°C e a uma 
vazão de 2,5 kg/s. Considerando um coeficiente global de transferência de calor igual a 2000 
W/(m2 · K), calcule as áreas de transferência de calor necessárias para as seguintes configurações 
de trocadores de calor: (a) escoamento paralelo, (b) escoamento contracorrente e (c) casco e 
tubos, um passe no casco e 2 passes nos tubos. RESP.: (a) 3,09 m2; (b) 2,64 m2; (c) 2,83 m2. 
 
5 - As temperaturas de entrada quente e fria em um trocador de calor bitubular são Tq,ent = 200°C 
e Tf,ent = 100°C, respectivamente. As temperaturas de saída são Tq,sai = 110°C e Tf,sai = 125°C. O 
trocador de calor está operando em uma configuração paralela ou contracorrente? Qual é a 
efetividade do trocador de calor? Qual é o NUT? Não há mudança de fase nos dois fluidos. 
RESP.: Opera contracorrente; ε=0,9; NUT=2,79. 
 
6 - Um trocador de calor bitubular com comprimento L = 2 m é usado para processar 
termicamente um produto farmacêutico escoando com uma velocidade média de um,f = 0,1 m/s, 
com uma temperatura de entrada de Tf,ent = 20°C. O tubo interno, com diâmetro Di = 10 mm, tem 
parede delgada e a parte externa do tubo externo (De = 20 mm) encontra-se termicamente 
isolada. Água escoa na região anular entre os tubos com uma velocidade média de um,q = 0,2 m/s 
com uma temperatura de entrada de Tq,ent = 60°C. As propriedades do produto farmacêutico são v 
= 10 × 10–6 m2/s, k = 0,25 W/(m · K), ρ = 1100 kg/m3 e cp = 2460 J/(kg · K). Avalie as 
propriedades da água a q = 50°C. Considere o coeficiente convectivo interno hi=149 W/m2K e o 
coeficiente convectivo externo he=1430W/m2K. 
(a) Determine o valor do coeficiente global de transferência de calor U. RESP.: 135 W/m2K. 
(b) Determine a temperatura média na saída do produto farmacêutico com o trocador operando 
em contracorrente. RESP.: 33°C. 
(c) Determine a temperatura média na saída do produto farmacêutico com o trocador operando 
em paralelo. RESP.: 31.2 °C. 
 
7 - Um trocador de calor bitubular (tubos concêntricos) em contracorrente é projetado para 
aquecer água de 20 a 80°C, utilizando óleo quente, que é alimentado na região anular a 160°C e 
retirado a 140°C. O tubo interno, com parede delgada, tem um diâmetro de Di = 20 mm e o 
coeficiente global de transferência de calor é igual a 500 W/(m2 · K). A condição de projeto 
exige uma taxa de transferência de calor total de 3000 W. 
(a) Qual é o comprimento do trocador de calor? RESP.: 0,968m. 
(b) Após 3 anos de operação, o desempenho do trocador é deteriorado pela presença de 
deposição no lado da água e a temperatura de saída da água é de somente 65°C para as mesmas 
vazões e temperaturas de entrada. Quais são os valores correspondentes da taxa de transferência 
de calor e do fator de deposição no lado da água, ? RESP.: 2250 W; 9,6 x 10-4 m2K/W. 
 
8 - Considere um trocador de calor bitubular com uma área de 50 m2 operando nas seguintes 
condições: 
 Fluido quente Fluido frio 
Taxa de capacidade calorífica, kW/K 6 3 
Temperatura de entrada, °C 60 30 
Temperatura de saída, °C — 54 
(a) Determine a temperatura de saída do fluido quente. RESP.: 48°C. 
(b) O trocador está operando com escoamento paralelo ou contracorrente? RESP.: 
Contracorrente. 
(c) Calcule o coeficiente global de transferência de calor. RESP.: 132 W/m2K. 
(d) Calcule a efetividade desse trocador. RESP.: 0,8. 
 
9 - Um trocador de calor casco e tubos deve ser projetado para aquecer 2,5 kg/s de água de 15 a 
85°C. O aquecimento será feito pela passagem de óleo de motor quente, que está disponível a 
160°C, através do casco do trocador de calor. Sabe-se que o óleo fornece um coeficiente 
convectivo médio de ho = 400 W/(m2 · K) no lado externo dos tubos. A água atravessa o casco 
passando no interior de 10 tubos. Cada tubo tem parede delgada, com diâmetro D = 25 mm, e faz 
oito passes no casco. Se o óleo deixa o trocador a 100°C, qual é sua vazão? Que comprimento os 
tubos devem ter para satisfazer o aquecimento especificado? RESP.: 5,2 kg/s; 37,5m. 
 
10 - Em um laticínio, leite a uma vazão de 250 litros/hora e a uma temperatura do corpo da vaca 
de 38,6°C, deve ser refrigerado até uma temperatura segura para o armazenamento de 13°C ou 
menos. Água do subsolo a 10°C está disponível a uma vazão de 0,72 m3/h. A massa específica e 
o calor específico do leite são 1030 kg/m3 e 3860 J/(kg · K), respectivamente. 
(a) Determine o produto UA de um trocador de calor em contracorrente necessário para o 
processo de refrigeração. RESP.: 785 W/mK. 
(b) Determine o comprimento do trocador, se o tubo interno tiver um diâmetro de 50 mm e o 
coeficiente global de transferência de calor for de U = 1000 W/(m2 · K). RESP.: 5 m. 
(c) Determine a temperatura de saída da água. RESP.: 18,4 °C.