CÁLCULOS EM TROCADORES DE CALOR

1. BALANÇO DE ENERGIA (BALANÇO TÉRMICO)

Primeira lei da termodinâmica para um sistema aberto:

Desconsiderando a variação da energia cinética, variação da energia

potencial, o trocador de calor não consome e nem realiza trabalho e não

troca calor com o meio externo, a primeira lei torna-se:

Logo o balanço de energia se torna:

ΔHH + ΔHC = 0 →

mH = vazão mássica da corrente quente (que será resfriada).

CpH = calor específico da corrente quente.

TH1 = Temperatura de entrada da corrente quente.

TH2 = Temperatura de saída da corrente quente.

mc = vazão mássica da corrente fria (que será aquecida).

Cpc = calor específico da corrente fria.

Tc1 = Temperatura de entrada da corrente fria.

Tc2 = Temperatura de saída da corrente fria.

2. DIFERENÇA DE TEMPERATURA

a. TROCADOR DE CALOR EM PARALELO

b. TROCADOR EM CONTRA CORRENTE

3. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR (U)

Geralmente a resistência térmica por condução é desprezada:

4. FATOR DE CORREÇÃO PARA A MLDT (F)

O fator de correção F, é obtida utilizando os gráficos dos slides 19 a

24. Assim: MLDT correta deve ser multiplicada por F.

5. TEMPERATURAS CALÓRICAS:

Temperatura para avaliar as propriedades físicas dos fluidos.

Tcal1: Temperatura calórica do fluido quente.

Tcal2: Temperatura calórica do fluido frio.

Tcal1 = TH2 +Fc.(ΔTH); ΔTH = TH1 - TH2

Tcal2 = Tc2 +Fc.(ΔTc); ΔTc = Tc1 - Tc2

Fc = fator de temperatura calórica: Slide 26.

Fc = f(ΔTc/ ΔTH, Kc); Kc slide 26

OBS: Pode ocorrer de um dos fluidos não ter valor para Kc, neste

caso o fluido que tiver um Kc definido o denominamos de fluido

dominante.

Ai, hi

Ao, ho

PRIMEIRA TENTATIVA

A) Supor um valor para coeficiente global de troca térmica (Ud), de

acordo com as instruções no QUADRO 8.

ÁREA DE TROCA TÉRMICA

NÚMERO DE TUBOS: Nt

Ae = área externa por pé linear: QUADRO 10

B) Cálculo do Ud corrigido.

C) Locação dos fluidos:

Incrustação: O fluido mais incrustante deve ser colocado no

lado do tubo.

Corrosão: O fluido mais corrosivo deve ser colocado no lado

do tubo.

Pressão: O fluido com mais pressão deve ser colocado no lado

do tubo.

Viscosidade: O fluido com mais viscosidade deve ser colocado

no lado do casco.

Coeficiente de troca de calor por convecção (h): O fluido com

menor valor de h deve ser colocado no lado do casco.

Vazão: O fluido com menor vazão deve ser colocado no lado

do casco.

Água de resfriamento sempre colocada no tubo.

D) Área de escomento:

CARCAÇA

Di = diâmetro interno do casco.

C’ = espaçamento entre os tubos: Pt - DE (QUADRO 10)

B = espaçamento entre as chicanas:Di/5

Pt = distância entre os centros de dois tubos consecutivos.

TUBOS

Nt = número de tubos.

at’ = área de escoamento por tubo. QUADRO 10

E) Fluxo mássico

CARCAÇA

ms = vazão mássica do fluido que escoa na carcaça.

As = área de escoamento da carcaça.

TUBOS

mt = vazão mássica do fluido que escoa nos tubos.

At = área de escoamento dos tubos.

F) Número de Reynolds

CARCAÇA

De = diâmetro equivalente: SLIDE 30: FIG. 28

= viscosidade do fluido na temperatura calórica do

fluido que escoa na carcaça.

TUBOS

Di = diâmetro interno do tubo: QUADRO 10.

μ(Tcalt) = viscosidade do fluido na temperatura calórica

do fluido que escoa no tubo.

G) Fator de transmissão (JH)

CARCAÇA: FIG. 28.

TUBO: FIG. 24.

H) Coeficiente de película (ho/Φ)

CARCAÇA

TUBO

K.Pr(1/3)

: Fig 16

DI e DE : QUADRO 10

I) Temperatura da parede do tubo

Cálculo de Φs e Φt

Re > 2100

μ = viscosidade do fluido na temperatura calórica

μw = viscosidade do fluido na temperatura Tw

μ e μw: FIG.14

Re<2100

J) Cálculo do coeficiente de troca de calor por convecção (h)

CARCAÇA

TUBOS

K) Cálculo do coeficiente global de transferência de calor limpo (Uc)

L) Cálculo do coeficiente global de transferência de calor de projeto

(Ud).

A = Nt.L.a’’

a’’: área externa dos tubos por ft linear: QUADRO 10.

M) Fator de incrustação (Rd)

N) Perda de carga: Queda de pressão

CARCAÇA

f = fator de atrito: FIG. 29

S = Densidade relativa do fluido no casco. FIG. 6

(N+1) = L/B

L = comprimento dos tubos

B = Distância, separação ou espaçamento entre as chicanas.

(1/5) Dicasco < B < Dicasco

Mais usadas: 75% do diâmetro interno do casco.

N = número de chicanas

l1m = distância entre o espelho e a chicana de entrada.

l2m = distância entre o espelho e a chicana de saída.

TUBOS

n = número de passagens nos tubos.

f = fator de atrito. FIG.26

S = densidade relativa do fluido que escoa nos tubos. FIG.6

v2/2,g’: FIGURA 27

Deq = diâmetro equivalente

PASSO QUADRADO

PASSO TRIANGULAR

do = diâmetro externo da carcaça.

O) VERIFICAÇÃO DOS RESULTADOS

∆Pspermitida < ∆Pscalculada : estimativa ok!

∆Ptpermitida < ∆Ptcalculada : estimativa ok!

Rdpermitida < Rdcalculada: estimativa ok!

CONSIDERAÇÕES

PERDAS DE CARGA ADMISSÍVEIS

Gases e Vapores:

0,1 a 0,7 bar ( 2 a 10 psi): pressões de operações intermediárias ou

altas.

0,02 a 0,14 bar (0,3 a 2,0 psi): vácuo ou próximo a atmosférica.

Líquidos: 0,7 a 1,7 bar (10 a 25 psi).

VELOCIDADE DE CIRCULAÇÃO

Velocidade mínima: Evitar problemas de depósito de sólidos que

possam ocorrer nos fluidos de trabalho.

Velocidade máxima: Minimizar os problemas de corrosão e erosão.

Líquidos: vmax = 3 a 4,5 m/s. vmin = 0,9 m/s.

Água de resfriamento: menor do que 1 m/s.

Gases e vapores: 25 a 30 m/s.