Observando todo o conteúdo das unidades e tudo que aprendemos até aqui, imagine que você deverá projetar um trocador de calor do tipo casco e tubo. Este trocador deverá atender algumas especificações técnicas de projeto, uma vez que deverá servir a uma empresa frigorífica. Primeiramente, você recebe a informação de que o fluido do sistema deverá possuir coeficiente de performance de 10,5 com o leite mantido à 0 ºC. Com estas primeiras informações, você deverá identificar o valor da temperatura da região quente deste sistema de refrigeração.
O trocador possui um tubo interno de aço inoxidável, cujo coeficiente de troca de calor é k = 15,10 W/mK. Observe as especificações:
Diâmetro interno de 2 centímetros.
Diâmetro externo de 2,2 centímetros.
Comprimento total do trocador é de 2 metros.
O casco deverá observar a seguinte especificação:
Diâmetro interno de 3,8 centímetros.
Os coeficientes de transferência de calor por convecção são de 1100 W/mK na superfície interna do tubo e 2200 W/mK em sua superfície externa.
Infelizmente, as condições do frigorífico favorecem a formação de incrustação. Desta forma, deve-se considerar o efeito da incrustação. O projeto sugere considerar como fatores de incrustação do lado tubo de 11.10-5 W/(m2K) e do lado do casco de 0,0002 W/(m2K).
Para o projeto, você deverá entregar os cálculos contendo os seguintes itens:
a) Determinar a resistência térmica do trocador de calor;
b) Os coeficientes globais de troca de calor;
c) O impacto das resistências de incrustação no valor da resistência térmica total do trocador de calor (percentualmente).
Soluções para a tarefa
Resposta:
a) Rconv(int) = 1/(hi x Pi x di x L)=1/(1100 x Pi x 0,02x2) = 0,0072343 [°C/W]
Renc(in) = k x Ai=(11x10^-5) x PI x di x L=(11*10^-5) x Pi x 0,02 x 2 = 1,3822 x 10^-5 [°C/W]
Rcond= (ln(r2/r1)) / (2 x Pi x L x k) = (ln(2,2/2,0)) /(2 x Pi x 2 x 15,10) = 0,0005022
Rinc (out) =0, 0002 x A0=0, 0002 x Pi x d0 x L = 0, 0002 x Pi x 0,022*2 = 2, 7646*10^-5
Rconv (out) = 1/ (h0 x Pi x d0 x L) = 1/ (2200 x Pi x 0,022 x 2) = 0, 00328832
Rt= Rcon(in)+Renc(in)+Rconv+Rinv(out)+Rconv(out)
Rt=0,0072343+ 1,3822 x 10^-5+0,0005022+2,7646 x 10^-5+0,00328832
Rt= 0,011066288[°C/W] com incrustação
Para o sistema sem incrustação:
Rt= Rconv(in)+Rcond+Rconv(out)
Rt=0,0072343+0,0005022+0,00328832
Rt= 0,01102482 [°C/W]
b) Rt= 1/(U x A0) A0=Pi x d0 x L= Pi x 0,022 x 2=0,13823;
U(sem)=1/(Rt x A0)=1/(0,01102482 x 0,13823)=656,18 [W/m²K]
U(com)=1/(Rt x A0)= 1/(0,011066288 x 0,13823)=653,73 [W/m²K]
c) Rt(com)/Rt(sem)=0,011066288/0,01102482 = 1,0037
Aprox. 1%