UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA: DEQ0515 - Operações Unitárias com Troca de Calor e Massa
2ª Lista Exercícios - Trocadores de Calor 1) Vapor é condensado a uma temperatura de 30°C com água de resfriamento vindo de um lago próximo. A água entra a 14 °C e sai a 22 °C. A área de troca térmica dos tubos é de 45 m2, e U=2100 W/m2°C. Determine o fluxo mássico de água necessário e a taxa de condensação mássica no condensador. Obs. Calor de vaporização da água a 30 ºC é de hv=2431 kJ/kg e o cp (água fria) a 18 °C é cp=4184 J/kg. Resp: m& = 0,45 kg/s 2) Óleo de motor (cp=2100 J/kg.K) é aquecido de 20 a 60 °C a uma taxa de 0,3 kg/s em um tubo de cobre de 2cm de diâmetro por um vapor em condensação do lado de fora do tubo, a uma temperatura de 130 °C (hv=2174 kJ/kg). Sabendo que U=650 W/m2.K, determine a taxa de transferência de calor e o comprimento requerido do tubo para atingir este objetivo. Sol. 25,2 kW e 7,0 m. Resp: q = 25,2kW e L = 7,0m 3) Um TRC de contra-fluxo (bitubular) aquece água de 20 a 80°C a uma taxa de 1,2 kg/s. Isto é feito com um fluido a 160°C e vazão mássica de 2 kg/s. O tubo interno tem diâmetro de 1,5 cm de parede fina. Se U=640 W/m2.°C. Determine o comprimento do trocador. De tabela: a) água: cp=4,18 kJ/kg.°C e b) água quente (geothermal water): cp=4,31 kJ/kg.°C. Resp: L = 108,0m 4) Um trocador de calor de 2 passes no casco e 4 no tubo é usado para aquecer glicerina de 20 a 50º C com água quente. A água passa num tubo de parede fina, com 2 cm de diâmetro a 80°C e deixa a 40°C. O comprimento total dos tubos é de 60 m. Sabendo que “h” na glicerina (casco) é 25 W/m2.°C e 160 W/m2.°C na água (tubo), determine a taxa de transferência de calor do trocador: a) no início da operação (não há deposição nas paredes); b) após a deposição na parede externa do tubo apresentar um fator de 0,0006 m2. Resp: b) q = 1805W 5) Um radiador tem 40 tubos de diâmetro interno 0,5 cm e comprimento 65 cm, envoltos por uma matriz de aletas (placas). A água entra nos tubos a 90°C e 0,6 kg/s e sai a 65°C. O ar cruza o radiador direcionado pelas placas sendo aquecido de 20 a 40°C. Determine Ui deste radiador. Resp: U = 3341W / m 2 .°C
6) Água fria entra em um trocador de calor contracorrente a 10 °C a uma taxa de 8 kg/s, sendo então aquecida por vapor d’água que entra no trocador a 70 °C a taxa de 2 kg/s. Assumindo que o calor específico da água se mantém constante a 4,18 kJ/kg.°C, determine a máxima taxa de transferência de calor e as temperaturas de saída do fluido frio e do vapor d’água neste caso limite. Resp: q& max = 502kW ; Tf saída = 25°C e Tq saída = 10°C 7) Um TRC de contracorrente (bitubular) aquece água de 20 a 80 ºC a uma taxa de 1,2 kg/s. Isto é feito com um fluido a 160 ºC e vazão mássica de 2 kg/s. O tubo interno tem diâmetro de 1,5 cm de parede fina. Se U=640 W/m2.°C. Determine o comprimento do trocador. De tabela: a) água: cp=4,18 kJ/kg.°C b) água quente (geothermal water): cp=4,31 kJ/kg.°C Resp: L = 108m 8) Óleo quente deve ser refrigerado com água em um trocador casco e tubo, com uma passagem pelo casco e 8 passes pelo tubo. Os tubos são de parede fina e feitos de cobre com diâmetro interno de 1,4 cm. O comprimento de cada passe é de 5 m e U=310 W/m 2.°C. Com os dados acima, e os apresentados na figura, determine a taxa de transferência de calor no trocador e as temperaturas de saída da água e do óleo. Resp: q = 83,1 kW ; Tf saída = 66,8°C e Tq saída = 88,8°C 9) Óleo quente (cp=2200 J/kg.°C) deve ser refrigerado com água (cp=4180 J/kg.°C) em um trocador casco e tubo, com 2 passagens pelo casco e 12 passes pelo tubo. Os tubos são de parede fina e feitos de cobre com diâmetro interno de 1,8 cm. O comprimento de cada passe é de 3 m e U=340 W/m2.°C. Com os dados acima, e os apresentados na figura, determine a taxa de transferência de calor no trocador e as temperaturas de saída da água e do óleo. Resp: q& = 36,2 kW ; Tf saída = 104,6°C e Tq saída = 77,7°C 10) Um trocador de calor tubo duplo óleo-óleo, cujo arranjo não é conhecido, tem sua temperatura de óleo frio na entrada dado por 20 °C, deixando a 55 °C, enquanto o óleo quente entra a 80 °C e sai a 45 °C. Este é um trocador de calor paralelo ou contracorrente? Porque? Assumindo que o fluxo de massa em ambos os fluidos seja idêntica, determine a efetividade do trocador. Resp: ε = 0,583 11) Um trocador de calor tubo duplo de parede fina e fluxo paralelo é usado para aquecer um produto químico de cp=1800 J/kg.°C. O fluido usado é água quente (cp=4180 J/kg.°C). A superfície de troca térmica do trocador é de 7 m2 e U=1200 W/m2.°C. Determine as temperaturas de saída do produto e da água. Resp: q& = 36,2 kW ; Tf saída = 70,4°C e Tq saída = 77,4°C 12) Um trocador de calor ar-água de fluxo cruzado tem efetividade de 0,65 e é usado para aquecer água (cp1=4180 J/kg.°C) com ar quente (cp=1010 J/kg.°C). Se Uágua=260W/m2.°C, determine a área de troca térmica do lado da água. Assuma que os fluidos são direcionados (“não misturado”). Resp: AS = 52,4 m 2
13) 0,5 kg/s de óleo são resfriado com 0,21 kg/s de água em um trocador de calor. O óleo entra a 375 K e sai a 350K e a água entra a 280K, o coeficiente global de troca de calor U é 250KW/m2.K. Determine a área de troca de calor para as condições especificadas se a configuração do trocador for: a) Contracorrente b) Paralelo c) Casco e tubo 1-4. Dados: cp óleo=2090 J/kg.°C e cp água=4180 J/kg.°C
Resp: a) b) c)
2
AS = 1,61 m AS = 1,68 m 2 2 AS = 1,65 m
14) Gases de exaustão de uma turbina a gás são usados em um trocador de calor de escoamento cruzado (ambos os fluidos não misturados) e tubos aletados para aquecer água sob pressão. Ensaios de laboratório foram realizados em um protótipo do trocador de calor com área superficial de 10 m2. As medias efetuadas sob condições particulares, nas quais a vazão do fluido quente foi igual a 2 kg/s com uma temperatura de entrada de 325°C e a do fluido frio foi de 0,5 kg/s com uma temperatura de entrada de 26°C, revelaram uma temperatura de saída de 150°C. Supondo que os gases de exaustão possuem as mesmas propriedades do ar atmosférico e que sua temperatura média é de 550 K, determinar, em função das condições operacionais: a) As capacidades calorificas dos fluidos, em W/K; b) A taxa de troca de calor e a taxa de troca de calos máxima, em W; c) O número de unidades de transferência; d) O coeficiente global de transferência de calor no trocador, W/m2K.
Resp: a) b) c) d)
Ui
=
3341W / m 2 .°C
