Post on 03-Feb-2016
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UNIP - UNIVERSIDADE PAULISTA
Curso: Engenharia Mecânica
Projeto Trocador de Calor
Grupo: 13
Professora: Simoni M. Gheno
Arthur Philip Picaccio 587127-1 EM8P-18Renan Ricardo Busquini 598334-7 EM8P-18Tainan Tofani Fernandes 260342-8 EM8P-18Rafael Dediano Clementino EM8P-18
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Sumário
1. INTRODUÇÃO......................................................................................................................................3
2. OBJETIVOS...........................................................................................................................................4
3. MATERIAIS E MÉTODOS UTILIZADOS...................................................................................................6
3.1 CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS A SEREM UTILIZADOS NO PROJETO...............................................7
3.2 MÉTODOS DE CÁLCULO...............................................................................................................8
3.2.1 MÉTODO DE KERN......................................................................................................................8
3.2.2 ROTEIRO DE CÁLCULO................................................................................................................8
4. NOMENCLATURA...........................................................................................................................11
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES..........................................................................................................14
5.1 RESULTADOS................................................................................................................................14
5.2 DISCUSSÕES.................................................................................................................................14
6. CONCLUSÕES.................................................................................................................................15
7. BIBLIOGRAFIA................................................................................................................................15
8. ANEXOS.........................................................................................................................................16
8.1 COEFICIENTE GLOBAL DE PROJETO APROXIMADO......................................................................16
8.2 FATORES DE ATRITO....................................................................................................................17
8.3 CURVA DE TRANSMISSÃO DE CALOR LADO CARCAÇA.................................................................18
8.4 CURVA TRASMISSÃO DE CALOR PARA ÁGUA INTERIOR DO TUBO...............................................19
8.5 CURVA TRANSMISSÃO DE CALOR PARA INTERIOR DO TUBO......................................................20
8.6 FATORES DE INCRUSTAÇÃO.........................................................................................................21
8.7 ANEXO A – DESENHO DO TROCADOR DE CALOR.........................................................................22
8.8 ANEXO B – MEMORIAL DE CÁLCULO...........................................................................................23
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1. INTRODUÇÃO
Trocadores de calor são dispositivos utilizados para realizar o processo da troca
térmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas.
Este processo é comum em muitas aplicações da Engenharia e em diversos tipos
construtivos, dentre os quais, um dos mais utilizados industrialmente é o de casco tubo,
que consiste de um casco com um feixe de tubos dentro dele. Um fluido corre através
dos tubos, e outro fluido corre sobre os tubos (através do casco) de maneira a transferir
calor entre os dois fluidos. O conjunto de tubos é chamado feixe de tubos, e pode ser
composto por diversos tipos de tubos: planos, longitudinalmente aletados, etc.
Para avaliar ou projetar um trocador de calor, o engenheiro tem de saber que a
várias variáveis envolvidas e afim de fazer um correto dimensionamento ele precisa
conhece-las bem.
As principais variáveis que devem ser consideradas em um projeto de trocador de
calor são:
Características dos fluídos, dentre as quais destacam-se (condutibilidade
térmica, densidade, viscosidade e calor específico).
Temperaturas de operação
Pressões de operação
Velocidade de escoamento
Perda de carga admissível
Fator de sujeira
Localização dos fluidos, no qual deve-se levar em conta algumas
considerações (tendência de incrustação, corrosão, temperatura e pressão
muito elevadas, velocidade de escoamento, viscosidade, fluidos letais e
tóxicos, fluido com diferença muito elevada entre as temperaturas terminais).
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Figura 1.1
Figura 1.2
4
Figura 1.3
2. OBJETIVOS
O trocador de calor casco tubo selecionado, terá como finalidade resfriar óleo de
lubrificação dos mancais, servo motores, válvulas de controle e válvulas de segurança
instaladas em uma turbina de pequeno, pois o superaquecimento do óleo pode causar
diversos danos e mau funcionamento da mesma, tais como:
• Ebulição do óleo
• Falta de lubrificação
• Falta de resfriamento
• Perda das propriedades físico químicas do fluido
• Vazamento por redução da viscosidade
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• Em caso de funcionamento hidráulico pode reduzir a forca de cilindros,
fadiga e ruídos na bomba hidráulica
O óleo utilizado para lubrificação é o ISO VG68, o fluido quente (óleo) tem uma
vazão de 5 kg/s a uma temperatura média de 60°C a temperatura ideal para retornar
para operação na máquina é de 45°C, porém alteramos a mesma para 47 ºC a fim de
verificar quais as variações de eficiência, vazão e troca de calor poderíamos
obter com tal modificação.
Neste processo o trocador de calor é de extrema importância devido a
necessidade do resfriamento do fluido para que este volte ao processo produtivo. O
fluido frio escolhido para o resfriamento foi a água (utilizada em 90% dos trocadores de
calor), estando esta disponível nas instalações a uma temperatura de 30°C. A máxima
temperatura que pode ela atingir na saída do trocador de calor é de 34°C (devido a
potência atual da torre de resfriamento), considerando essas necessidades de
temperaturas, será calculado um trocador de calor levando em conta as duas variações
de temperatura (entrada e saída), tanto do fluido quente quanto do fluido frio.
Para projetar um trocador de calor com máxima eficiência, menor tamanho e
custo, devido a estas necessidades, serão iniciados os estudos com um trocador de
calor casco e tubo, considerando inicialmente um passe no casco e dois passes no
tubo. Existem alternativas para aumentar a eficiência de um trocador de calor, tais
como:
Uso de aletas nos tubos;
Uso de chicanas;
Maior número de passes entre casco e tubo;
O objetivo do estudo não é calcular a parte mecânica (espessura de chapas,
flanges, parafusos, diâmetros dos flanges de entrada e saída do fluído frio, diâmetros
dos flanges de entrada e saída do fluido quente e etc), e sim determinar a vazão
mássica do fluído frio (água) para especificar a bomba e conferir se o fator de
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incrustação do resfriador desenvolvido para óleo é aceitável na vazão mássica de fluido
que está será utilizado.
3. MATERIAIS E MÉTODOS UTILIZADOS
A natureza dos fluidos que circulam num trocador de calor constitui um fator
fundamental para seu desenvolvimento, todo o projeto tem como “base” as
propriedades dos fluidos quentes e frios que passarão pelo trocador de calor com o
objetivo de trocar calor, seja para resfriar ou aquecer.
Neste estudo considera-se que o fluido quente se trata de um óleo
lubrificante/refrigerante (ISO VG 68), com viscosidade considerável para o escoamento
no interior do trocador. O fluido frio se trata de água (no estado natural), o fluido frio foi
escolhido devido as suas propriedades físicas conhecidas, abundancia e baixo custo
para o processo. Em alguns casos o fluido frio é tratado com o uso de aditivos para
aumento da capacidade de troca de calor (não é o caso deste).
3.1 CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS A SEREM UTILIZADOS NO PROJETO
Fluídos utilizados neste projeto:
Óleo ISO VG 68
Água
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A tabela 3.1 mostra os dados técnicos dos fluidos que serão utilizados neste
projeto (não considerando a variação de temperatura):
Tabela 3.1
Propriedades dos FluídosFluido Quente (A ser resfriado) -
CARCAÇA Fluido Frio (Resfriador) - TUBONome: Óleo ISO VG 68 Nome: Água
T° Entrada: 65 °C T° Entrada: 30 °CT° Saída: 47 °C T° Saída: 34 °C
Pressão operação: 22 psi Pressão Operação: 22 psiT° Média: 56 °C T° Média: 32 °C
Vazão mássica: 5 Kg/s Vazão mássica: 9,98021 Kg/sCalor específico: 0,223 BTU/lb.°F Calor específico: 1 BTU/lb.°F
Fator de incrustação: 0,00018 m².°C/W
Fator de incrustação: 0,00018 m².°C/W
Condut. Térmica: 0,0773 BTU/h.ft.°F Condut. Térmica: 0,3715 BTU/h.ft.°FViscosidade
Dinamica: 19,02 lb/h.ftViscosidade
Dinamica: 1,33 lb/h.ftPrandt (Pr): 139 h.ft².°F/BTU Prandt (Pr): 3,58 h.ft².°F/BTU
Densidade do fluído: 880 Kg/m³
Densidade do fluído: 998 Kg/m³
As unidades de medida utilizadas neste projeto são:
Sitema Inglês (Devido a literatura existente)
Sistema Internacional
3.2 MÉTODOS DE CÁLCULO
3.2.1 MÉTODO DE KERN
É um método de fácil utilização, sendo bem sucedido com modelos de
trocadores de calor casco e tubos com tolerâncias usuais, mas apresenta pouca 8
precisão, que torna-se tanto mais crítica quanto mais o escoamento do fluido situa-se
em regime laminar, o qual exige um tratamento bem mais complexo.
3.2.2 ROTEIRO DE CÁLCULO
A) Verificação de um trocador de calor:
Dados de entrada: dimensões do trocador, diâmetros, comprimento, número de
passes, arranjo dos tubos.
Especificar como entrada: T1=Tqe, T2=Tqs, t1=Tfe, vazões das correntes de fluidos e p
admissíveis.
1) Calcular a taxa de transferência de calor ou t2 por meio de balanço de energia
(calor removido é igual ao calor transportado);
Q = mq Cpq (Tqe - Tqs) = mf Cpf (Tfs - Tfe)
Obs: os calores específicos são calculados na temperatura média.
2) Calcular a diferença de temperatura média logarítmica (Tml ) contracorrente;
3) Calcular a correção da diferença de temperatura para o arranjo considerado –
F (Gráfico Kern);
4) Selecionar qual fluido irá nos tubos e qual no casco;
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5) Cálculo do hi - fluido dos tubos;
5.1) Calcular Ret;
5.2) Calcular Nu das correlações;
5.3) Aplicar, se for o caso, a correção com a viscosidade da parede
(/p)0,14
6) Cálculo do he - fluido casco;
6.1) Calcular Re;
6.2) Obter jh;
6.3) Calcular he;
7) Calcular o Ulimpo;
8) Calcular o Uprojeto por: Q=AUp.Tml;
9) Calcular o critério de desempenho, Rf total através de Up e Ul
10) Calcular as perdas de carga no casco e nos tubos e comparar com a
admissível.
B) Cálculo e projeto de um trocador de calor:
Dadas as condições de processo: T1,T2,t1, t2 vazões, perdas de carga
admissíveis e fatores de incrustação disponíveis de acordo com os fluidos utilizados.
O comprimento do tubo, o diâmetro externo do tubo e o passo serão
especificados pela prática de projetos (ou pela norma TEMA)
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1) Calcular a taxa de transferência de calor ou t2 por meio de balanço de energia;
Q = mq Cpq (Tqe - Tqs) = mf Cpf (Tfs - Tfe)
Obs: os calores específicos são calculados na temperatura média;
2) Calcular a diferença de temperatura média logarítmica (Tml ) contracorrente
3) Supor um número de passagens nos tubos (Npt)
4) Calcular a correção da diferença de temperatura para o arranjo considerado -
F
C) Tentativa 1 (utilizada no memorial de cálculo):
5) Estimar o valor de Up, o coeficiente global de projeto - incluindo os depósitos
por incrustações (escolher sempre um valor superior)
6) Cálculo da área A=Q/Up.Tml e o número de tubos
7) Selecione um trocador (Di) para o número mais próximo de tubos de acordo
com a contagem de tubos
8) Corrija o valor de Up para a área correspondente ao número real de tubos
que podem estar contidos no casco.
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4. NOMENCLATURA
Nomenclatura utilizada no memorial de cálculos
Q: Calor
m: Massa
c: Calor específico
∆t: Diferença de temperatura
MLDT: Média logarítmica de temperatura
F: Fator de correção (F) encontrado
MLDTc: Média logarítmica de temperatura corrigida
Ø Ic: Diâmetro interno do casco (m)
C': Espaço livre entre os tubos (m)
B: Espaçamento entre as chicanas (m)
Lc: Comprimento do casco (m)
Pt: Passo entre os tubos (m)
Lt: Comprimento dos tubos
Ø Int: Diâmetro interno dos tubos (m)
ØExt: Diâmetro externo dos tubos (m)
Esp
Tub: Espessura da parede do tubo (m)
Área: Área de troca térmica
Área c: Área de troca térmica + coeficiente de segurança
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Nt: Número de tubos
Ud: Coeficiente global corrigido
a't: Área de escoamento de um tubo ((π*d^2)/4)
n: Número de passes pelos tubos
at: Área de escoamento
As: Área de escoamento
Gt: Vazão mássica por unidade de área (Kg/s*m²)
W: Vazão mássica do fluido do lado da carcaça (kg/s)
Deq: Diâmetro equivalente p/ transmissão de calor (ft²)
Gq: Vazão Mássica por unidade de área (lb/h*ft²)
𝜇𝑞: Viscosidade dinâmica (lb/ft*h)
Req: Número de Reynalds
Vf: Velocidade de escoamento do fluido frio (m/s)
𝜌: Densidade do fluido (kg/m³)
K: Condutividade térmica
Nut: Número de Nusselt
Re: Número de Reynalds
Prt: Número de Prandt
Jh: Encontrado no gráfico fig. 28 Kern
hi: Coeficiente genérico para transferência de calor
ho: Coeficiente de película
Rd: Fator de incrustação13
UC: Coeficiente de transmissão de calor de polimento
U'd: Coeficiente global corrigido
f: Fator de atrito de Fanning
𝜃𝑒: O termo (μ/μw)^0,14
S: Densidade relativa adimensional
∆𝑃𝑓: Perda de carga do fluído
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 RESULTADOS
Tabela 5.1
Tabela – Resultados obtidosVazão mássica do fluído quente [kg/s]: 5,0000Vazão mássica do fluído frio [kg/s]: 9,9802
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∆T Fluído quente [°C]: 18,0000∆T Fluído frio [°C]: 4,0000Calor a ser trocado [W]: 166909,0049Área de troca térmica [m²]: 17,8656Número de tubos: 122,3439Velocidade do fluído frio [m/s]: 0,8391Coeficiente global de troca térmica [BTU/h.ft².°F]: 40,0771Fator de incrustação: 0,0224Perda de carga [PSI]: 3,9841
5.2 DISCUSSÕES
Com base nos resultados obtidos na tabela 5.1, é necessário comparar com algum trocador de calor conhecido.
A vazão mássica do fluído frio é maior do que a vazão mássica do fluído a ser resfriado (usual).
É necessário conhecer as características dos fluídos e comparar com os resultados encontrados nos cálculos.
A perda de carga encontrada é baixa (considerando a maioria dos trocadores de calor), é necessário conferir os fatores de troca térmica.
O número de tubos encontrado no projeto é relativamente compatível com o utilizado nas indústrias.
A área de troca térmica é compatível com utilizado.
6. CONCLUSÕES
Diante dos resultados obtidos na tabela 5.1 e no memorial de cálculos, conclui-
se que o trocador de calor calculado está corretamente dimensionado para a
aplicação.
A vazão mássica do fluído frio (água) foi encontrada e sua respectiva perda de
carga para dimensionamento da bomba.
O fator de incrustação encontrado (cálculo) é aceitável para o projeto e as
dimensões utilizadas no trocador de calor são compatíveis com a utilizada nas
indústrias.15
7. BIBLIOGRAFIA
Incropera, F.P., Dewitt, D.P., 1998, Fundamentos de transferência de calor e
massa. LTC Editora, 4º edição, Rio de Janeiro, SP.
Kern, D.Q., 1958, Mathematical development of tube loading in horizontal
condensers, J. Am. Chem., 4:157 – 160.
Moran, M. J., Shapiro, H. N., 2004, Fundamentals of engineering
thermodynamics. 5º Ed., John Wiley e Sons, U.S.A.
Perry´s Chemical Engineers Handbook., Robert H. Perry, Don W. Green., 1999,
Mc Graw Hill
Everaldo César da Costa Araújo., Trocadores de calor, Universidade Federal de
São Carlos, EdUFSCar.
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8. ANEXOS
8.1 COEFICIENTE GLOBAL DE PROJETO APROXIMADO
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8.2 FATORES DE ATRITO
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8.3 CURVA DE TRANSMISSÃO DE CALOR LADO CARCAÇA
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8.4 CURVA TRASMISSÃO DE CALOR PARA ÁGUA INTERIOR DO TUBO
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8.5 CURVA TRANSMISSÃO DE CALOR PARA INTERIOR DO TUBO
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8.6 FATORES DE INCRUSTAÇÃO
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8.7 ANEXO A – DESENHO DO TROCADOR DE CALOR
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8.8 ANEXO B – MEMORIAL DE CÁLCULO
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