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7/18/2019 Rev3Documentação Trocador de Calor.docx

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CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICADISCIPLINA DE PROJETO DE SISTEMAS TÉRMICOS

1

1. INTRODUÇÃO

1.1. Trocadores de Calor

Um trocador de calor ou permutador de calor é um dispositivo para transferência de

calor eficiente de um meio para outro. Tem a finalidade de transferir calor de um fluido

para o outro, encontrando-se estes a temperaturas diferentes. Os meios podem ser

separados por uma parede sólida, tanto que eles nunca se misturam, ou podem estar

em contato direto. Um exemplo comum de trocador de calor é o radiador em um carro,

no qual a fonte de calor, a água, sendo um fluido quente de refrigeração do motor,

transfere calor para o ar fluindo através do radiador ( i.e. o meio de transferência de

calor). Outras aplicações são usadas para refrigeração de fluidos, sendo as mais

comuns, óleo e água e são construídas em tubos, onde, normalmente circula o fluido

refrigerante (no caso de um trocador para refrigeração). O fluido a ser refrigerado

circula ao redor da área do tubo, isolado por outro sistema de tubos (similar a

uma serpentina (duto) que possui uma ampla área geometricamente favorecida para

troca de calor. O material usado na fabricação de trocadores de calor, geralmentepossui um coeficiente de condutibilidade térmica elevado. Sendo assim, são

amplamente utilizados o cobre e o alumínio e suas ligas.

Dentro da teoria em engenharia, é um volume de controle, sendo que este

equipamento normalmente opera em regime permanente, onde as propriedades da

seção de um fluido não se altera com o tempo.

A eficiência de um trocador de calor depende principalmente:

● Do material utilizado para construção;

● Da característica geométrica;

● Do fluxo de temperatura e do coeficiente de condutibilidade térmica dos fluidos em

evidência.




2

A seguir um trocador bi tubular de tubos concêntricos, demostrado na Figura 1.

Figura 1: Configuração bitubular formato tubos concêntricos.

Além do trocador concêntrico também existe outros tipos de trocadores de calor comoplaca paralela conforme Figura 2.

(a) (b) (c) (D) Figura 2: trocador de calor do tipo (a) placa intercambiáveis;

(b)Casco e tubo; (c)Placas planas; (d)Placa única aletada;

1.2. Definição

Trocador de calor é o dispositivo usado para realizar o processo da troca térmica entre

dois fluidos em diferentes temperaturas. Este processo é comum em muitas aplicaçõesda Engenharia. Podemos utilizá-los no aquecimento e resfriamento de ambientes, no

condicionamento de ar, na produção de energia, na recuperação de calor e no

processo químico. Em virtude das muitas aplicações importantes, a pesquisa e o

desenvolvimento dos trocadores de calor têm uma longa história, mas ainda hoje




3

busca-se aperfeiçoar o projeto e o desempenho de trocadores, baseando-se na

crescente preocupação pela conservação de energia.

Os trocadores ou permutadores de calor do tipo tubular constituem o grosso do

equipamento de transferência de calor com ausência de chama, nas instalações de

processos químicos. Os mais comuns são os trocadores de calor em que um fluido se

encontra separado do outro por meio de uma parede, através da qual o calor se escoa,

estes tipos de trocadores são chamados recuperadores. Existem várias formas destes

equipamentos, variando do simples tubo dentro de outro, até os condensadores e

evaporadores de superfície complexa. Entre estes extremos, existe um vasto conjuntode trocadores de calor comuns tubulares. Essas unidades são largamente utilizadas,

devido à possibilidade de serem construídas com grande superfície de transferência,

em um volume relativamente pequeno, além de possibilitar a fabricação com ligas

metálicas resistentes à corrosão e, são apropriados para o aquecimento, resfriamento,

evaporação ou condensação de qualquer fluido. O projeto completo de um trocador de

calor pode ser dividido em três partes principais:

–

Análise Térmica - se preocupa principalmente com a determinação da áreanecessária à transferência de calor, para dadas condições de temperatura e

escoamento dos fluidos.

– Projeto Mecânico Preliminar – envolve considerações sobre as

temperaturas e pressões de operação, as características de corrosão de um

ou de ambos os fluidos, as expansões térmicas relativas e tensões térmicas e

a relação de troca de calor.

– Projeto de Fabricação – requer a translação das características físicas e

dimensões em uma unidade, que pode ser fabricada a baixo custo (seleção

dos materiais, selos, involucros e arranjo mecânico ótimos) , e os

procedimentos na fabricação devem ser especificados.




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Para atingir a máxima economia, a maioria das indústrias adota linhas padrões de

trocadores de calor. Os padrões estabelecem os diâmetros dos tubos e as relações de

pressões promovendo a utilização de desenhos e procedimentos de fabricação

padrões.

1.3. Trocador de Calor bitubular

Existem três tipos principais de fluxos em um trocador de calor espiral:

1. Fluxo em contracorrente: Ambos os fluxos de fluidos em direções opostas, é utilizado

para aplicações líquido-líquido, condensação e arrefecimento de gás. As unidades são

geralmente montadas verticalmente quando há condensação de vapor e montadas

horizontalmente ao manusear altas concentrações de sólidos.

2. Fluxo em espiral/fluxo cruzado: Um fluido está em fluxo em espiral e outro em um

fluxo cruzado. As passagens do fluxo em espiral são soldadas de cada lado para este

tipo de trocador de calor em espiral. Esse tipo de escoamento é adequado para lidar

com gases de baixa densidade, que passam pelo fluxo cruzado, evitando a perda de

pressão. Ele pode ser usado para aplicações líquido-líquido se um líquido tem uma

vazão consideravelmente maior do que o outro.

3. Vapor distribuído /fluxo em espiral: Este projeto é um condensador, e é geralmente

montado verticalmente. Ele é projetado para atender a sub-resfriamento tanto de

condensáveis quanto de não condensáveis. O resfriante move-se em uma espiral e sai

através do topo. Gases quentes que entram deixam o condensado que sai através da

saída inferior.

A Figura3 a seguir demostra um trocador de calor espiral.




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Figura 3: configuração bitubular formato espiral

A seguir, demostrado na Figura 4, um trocador bi tubular espiral, usado para troca de

calor entre fluido viscoso e fluido gás.

Figura 4: Trocador de calor entre o gás de aspiração e o líquido sem a carcaça

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Os problemas de projeto, análise e ou desenvolvimento de um trocador de calor para

uma finalidade específica, podem ser classificados em dois grupos principalmente:

problema de projeto e problema de desempenho. A solução de um problema é

facilitada pela adoção do método mais adequado a ele. O problema de projeto é o da

escolha do tipo apropriado de trocador de calor e o da determinação das suas

dimensões, isto é, da área superficial de transferência de calor necessária para se

atingir a temperatura de saída desejada. A adoção do método da DTML é facilitadapelo conhecimento das temperaturas de entrada e saída dos fluidos quentes e frios,

pois então DTML pode ser calculada sem dificuldade. Outro problema é aquele no qual

se conhecem o tipo e as dimensões do trocador e se quer determinar a taxa de

transferência de calor e as temperaturas de saída quando forem dadas as vazões dos




6

fluidos e as temperaturas na entrada. Embora o método da DTML possa ser usado

neste cálculo de desempenho do trocador de calor, o procedimento seria tedioso e

exigiria iteração. Isto poderia ser evitado com a aplicação do método do NUT.

– Método da DTML: Para prever ou projetar o desempenho de um trocador

de calor, é essencial relacionar a taxa global de transferência de calor a

grandezas como as temperaturas de entrada e de saída, o coeficiente

global de transferência de calor e a área superficial total da transferência

de calor.

– Método do NUT: É uma questão simples o uso do método DTML para

analisar um trocador de calor quando as temperaturas de entrada dos

fluidos são conhecidas e as temperaturas de saída ou são especificadas

ou se determinam com facilidade pelas expressões do balanço de

energia. Mas quando se conhecem somente as temperaturas de entrada,

este método exige um processo iterativo. Neste caso é preferível usar

outra abordagem, o método denominado efetividade-NUT. Para definir a

efetividade de um trocador de calor, devemos determinar inicialmente a

taxa máxima possível de transferência de calor no trocador. A efetividade

é definida como a razão entre a taxa real de transferência de calor no

trocador de calor e a taxa máxima possível de transferência de calor.




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2.1. Fluxos de correntes

A seguir na Figura 5 apresenta o fluxo de corrente paralela, com as respectivas

propriedades.

Figura 5: Configuração fluxo paralelo.

O fluxo contracorrente é demostrado a seguir na Figura 6.

Figura 6: Configuração fluxo contracorrente.




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2.2. Resistência Térmica

Define-se como resistência Térmica RT de um material, a sua espessura dividida pela

sua condutividade térmica:

(eq. 1)

Onde: K – coeficiente de condutividade térmica; (delta)x – expessura do

material;

Com isso, substituindo a equação anterior na equação de Fourier, obtemos:

(eq. 2)

Onde: (delta)T – Diferença de temperatura;

2.3. Dimensionamento Térmico de Trocadores de Calor - DTML Uma diferença de temperatura cria a força motriz que determina a transmissão de calor

de uma fonte a um receptor. Sua influência sobre um sistema de transmissão de calor,

incluindo tanto como um receptor. Os tubos concêntricos, mostrados abaixo, conduzem

duas correntes, e, em cada uma destas duas, existe um coeficiente de película

particular, e suas respectivas temperaturas variam da entrada para a saída, conforme

Figura 7.




9

Figura 7: Dimensionamento térmico de um trocador de calor A fim de estabelecer a diferença de temperatura entre uma dada temperatura geral T

de um fluido quente e uma temperatura t de um fluido frio, é necessário levar em

consideração também todas as resistências entre as temperaturas. No caso de dois

tubos concêntricos, sendo o tubo interno muito fino, as resistências encontradas são

resistências peculiares do fluido do tubo. A equação é descrita como.

(eq. 3) Onde:

Ai = pi.Di.L e Ae = pi.De.L reas superficiais

Rd” e Rp Fator de deposição e resistência

condutiva na parede Rdi” Fluido interno Rde” Fluido externo Di Diâmetro tubo interno

De Diâmetro tubo externo L Comprimento do tubo

É costume substituir 1/U por ∑R, onde U denomina-se coeficiente global de troca

térmica. Levando-se em conta que um tubo real possui áreas diferentes em suas




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superfícies interna e externa, hi e ho devem-se referir à mesma área de transmissão de

calor. Ou ajustando algebricamente a relação de área para os dois lados da igualdade

e considerando zero de perdas, ou resistência por acúmulo de resíduos, cujos passos

algébricos e relações são mostrados pela literatura no livro do INCROPERA a partir do

capítulo 11, assim obtém-se.

(eq. 4)

E para cálculo das variáveis convectivas hi e ho usa-se o Número de Reynolds para

escoamento do fluido interno sendo.

(eq. 4.1)

Para escoamento do fluido externo sendo.

(eq. 4.2)

Onde: m Fluxo de massa do fluido µ Coeficiente de viscosidade dinâmica

Di Diâmetro do tubo interno De Diâmetro do tubo externo

Numero de Nusselt para escoamento turbulento sendo.

(eq. 4.3)




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Numero de Nusselt para escoamento laminar sendo.

(eq. 4.4)

NuD Numero de Nusselt para escoamentoturbulento

Nui Numero de Nusselt para escoamentolaminar

Pr Coeficiente de Prandt

Para cálculo do coeficiente convectivo interno tem-se.

(eq. 4.5)

para escoamento do fluido externo

(eq. 4.6)

Para definição da Média Logarítmica das Diferenças de Temperatura, consideram-

se as seguintes hipóteses simplificadoras:

– o coeficiente total de transmissão de calor é constante em todo o

comprimento da trajetória;

– o calor específico é constante em todos os pontos da trajetória;

– não existem mudanças de fase parciais no sistema e




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– as perdas de calor são desprezíveis; então:

A Média Logarítmica das Diferenças de Temperatura é obtida por:

(eq. 5)

Onde: T – fluido quente (1-entrada e 2-saída) e t – fluido de saída (1-entrada e 2-

saída).

Escoamento do fluido em contra corrente:

(eq. 5a1) – delta T1

(eq. 5b1) – delta T2

Escoamento do fluido em paralelo:

(eq. 5a2) – delta T1

(eq. 5b2) – delta T2

2.4. Transferência do Fluxo de Calor

Para cálculo do fluxo de calor temos que a taxa de calor transferida em função da

área é.

(eq. 6)

O fluxo de calor também pode ser definido como:




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(eq. 7)

Sendo f o subíndice que indica a propriedade do fluido mais frio. Para o fluido frio éusado a mesma equação, porém com subíndice q, que indica a propriedade do fluidomais quente e também o gradiente de temperatura. Para o cálculo com aspropriedades do fluido quente passa a ser; .

Onde:

Fluxo de massa

Peso específico do fluido

Temperatura de entrada do fluido

Temperatura de saída do fluido

Uma outra forma de calcular q também é através de.

(eq.8.1)Ou

(eq.8.2)

Onde o ( delta ent ) e o ( delta sai ), são obtidos pelos valores do gráfico deescoamento do tipo de corrente. Partindo da equação (eq. 5), podemos definir atemperatura de saída do fluido, chegando na seguinte equação demostrada a seguir:

[ºC] ou [ºK] (eq. 9)

E a equação para temperatura quente de saída:




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(eq. 9.1)

Da mesma forma, pode ser usada para definição da temperatura de entrada do fluido a

partir da equação (eq. 5).

2.5. Correção da Média Logarítmica das Diferenças de Temperatura

(eq. 10)

onde F é o fator de correção, determinado graficamente através dos parâmetros P e R,

dados por:

(eq. 10.1) (eq. 10.2)

t - minúsculo refere-se a temperatura do lado dos tubos

T - maiúsculo refere-se a temperatura do lado do casco

1 e 2 se referem a entrada e a saída, respectivamente.

Grafico para obtenção do fator F, caso 1, conforme Figura8.




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Figura 8: Gráfico para relação do fator F um no casco e dois no tubo

E o segundo caso na Figura 9 a seguir.

Figura 9: Gráfico para relação do fator F dois no casco e quatro dois no tubo

E o terceiro caso na Figura 10 a seguir.




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Figura 10: Gráfico para relação do fator F correntes cruzadas, um só passe, os doisfluidos sem mistura

2.6. Conceituação, Finalidade e Materiais Isolantes

A conceituação de isolação térmica, de acordo com as definições aceitas, está

fundamentalmente apoiada na aplicabilidade e economicidade dos materiais

envolvidos. O isolamento térmico é composto por 3 elementos distintos:

– O isolante térmico;

– O sistema de fixação e sustentação mecânica;

– A proteção exterior.

Estabelecemos a seguir as definições e terminologias essenciais, que são as

seguintes:

– Isolação térmica - Situação em que se encontra um sistema físico que foi

submetido ao processo de isolamento térmico.




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– Isolamento térmico - Processo através do qual se obtém a isolação

térmica de um sistema físico pela aplicação adequada de material

isolante térmico.

– Material isolante - Material capaz de diminuir de modo satisfatório e

conveniente a transmissão do calor entre dois sistemas físicos.

– Material de fixação - Material (ou materiais) usado para manter o isolante

e o revestimento em suas posições convenientes.

– Material de revestimento - Material (ou materiais) usado para proteger edar bom aspecto ao isolante.

Faz-se necessário pois, que estes componentes sejam aplicáveis entre si e com o

sistema a isolar, para que sejam eficientes e econômicos.

A finalidade precípua da isolação térmica é dificultar, reduzir e minimizar a

transferência de calor entre dois sistemas físicos que se encontram em níveis

diferentes de temperatura. Porém, para efeito de classificação normativa, de projeto e

comercial, considerar-se-á isolação térmica aplicável objetivando principalmente asseguintes finalidades:

– Economia de energia;

– Estabilidade operacional;

– Conforto térmico;

– Proteção do pessoal;

– Evitar condensação;

– Proteção de estruturas.




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Pode-se, num só processo de isolamento térmico, atingir mais de um desses objetivos,

tendo que levar em consideração que a análise da fonte do calor e da sua forma de

transmissão é que determina a escolha dos materiais e a técnica de sua aplicação.

A técnica da isolação térmica consiste na utilização de materiais ou de sistemas que

imponham resistência às maneiras do calor se propagar reduzindo essa velocidade de

transmissão e portanto a quantidade transmitida por unidade de tempo. A escolha do

material isolante ou do meio isolante, admitindo os demais componentes como de

importância secundária, deverá ser coerente com a transmissão de calor. São muitos

os materiais isolantes que podem ser utilizados com êxito no isolamento térmico, nãosendo considerada básica esta circunstância para a seleção do mesmo. Devem ser

conhecidas todas as propriedades mecânicas e térmicas do material, para projetar de

forma adequada o sistema de montagem, a espessura de isolamento necessária, a

película hidrófuga com a qual deve ser protegido, etc. Entre outros podem ser citados

como elementos de boa qualidade e comercialmente usados no mundo todo:

– Fibra cerâmica;

– Carbonato de magnésio;

– Cimentos isolantes;

– Concreto celular;

– Cortiça expandida;

– Ebonite expandida;

– Espuma de borracha;

– Espuma de vidro (`foam-

glass');

– Lã de rocha;

– Lã de vidro;

– Lãs isolantes refratárias;

– Massas isolantes;

– Multifolhados metálicos;

– Papelão ondulado;

– Perlita expandida;

– PVC expandido.




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– Espumas de poliuretano;

– Espuma de uréia-formaldeído;

– Fibras de madeira prensada;

– Lã de escória;

– Sílica diatomácea;

– Sílica expandida;

– Silicato de cálcio;

– Vermiculita expandida.

Na realidade, o produto isolante ideal não existe. Analisando as características básicas

de cada um, e promovendo um estudo comparativo entre todos eles, é justoreconhecer que a decisão sempre estará motivada pelo gosto particular do usuário.

As principais perguntas normalmente formuladas pelos próprios projetistas e

engenheiros ligados à indústria são: qual o isolante a ser utilizado, que espessura deve

ser usada e quais as precauções necessárias quando da montagem do material

selecionado. Esta resposta não pode ser dada de forma genérica, sendo indispensável

o estudo, em particular, de cada tipo de instalação a ser executada.

2.7. Análise das Características dos Isolantes Térmicos

O projeto correto de sistemas de aquecimento, ar condicionado e refrigeração, como de

outras aplicações industriais, necessita de um conhecimento amplo sobre isolamento

térmico e do comportamento térmico das estruturas em questão. Este item tratará dos

fundamentos e propriedades dos materiais de isolação térmica. As propriedades ideais

que um material deve possuir para ser considerado um bom isolante térmico são as

seguintes:




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–

Baixo coeficiente decondutividade térmica (k até

0,030 kcal/m ºC h);

– Boa resistência mecânica;

– Baixa massa específica;

– Incombustibilidad; ou auto-

extinguibilidade;

– Estabilidade química e física;

– Inércia química.

–

Resistência específica aoambiente da utilização;

– Facilidade de aplicação;

– Resistência ao ataque de

roedores, insetos e fungos;

– Baixa higroscopicidade;

– Ausência de odor;

– Economicidade.

2.8. Propriedades térmicas

A capacidade de um material para retardar o fluxo de calor está expressa por sua

condutividade térmica ou valor de condutância. Uma baixa condutividade térmica ou

valor de condutância (ou alta resistividade térmica ou valor de resistência) por

conseguinte, caracteriza um isolante térmico, exceção feita aos isolantes refletivos.

Os isolantes refletivos, como o alumínio, dependem da subdivisão correspondente dos

espaços de ar e da baixa emissividade térmica das suas superfícies para uma baixa

condutância térmica. Para ser realmente efetiva em retardar o fluxo de calor por

radiação, a superfície refletiva deverá apresentar sua face ao ar ou espaço vazio.

Outras propriedades térmicas que podem ser importantes: calor específico, difusividade

térmica, coeficiente de dilatação térmica e resistência à temperatura. A difusividadetérmica torna-se importante naquelas aplicações onde a temperatura varia com o

tempo, devido a que a taxa de variação de temperatura no interior de uma isolação é

inversamente proporcional à difusividade térmica para uma dada espessura.




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2.9. Fatores que afetam a condutividade térmica

A condutividade térmica é uma propriedade dos materiais homogêneos e materiais de

construção tais como madeira, tijolo e pedra. A maior parte dos materiais isolantes,

exceção feita aos refletivos, são de natureza porosa consistindo de combinações de

matéria sólida com pequenos vazios. A condutividade térmica do isolante varia com a

forma e estrutura física da isolação, com o ambiente e as condições de aplicação. A

forma e estrutura física variam com material de base e com os processos de

fabricação. As variações incluem: densidade, medida do espaço celular, diâmetro e

disposição das fibras ou partículas, transparência à radiação térmica, quantidade eextensão dos materiais de ligação, e do tipo e pressão do gás no interior da isolação.

As condições ambientais e de aplicação que podem afetar a condutividade térmica

incluem: temperatura, teor de umidade, orientação da isolação e direção do fluxo de

calor. Os valores de condutividade térmica para isolantes são geralmente fornecidos

para amostras de uma determinada densidade obtida em forno seco, método ASTMC-

177, a uma temperatura média especificada.

2.10. Propriedades mecânicas

Alguns isolantes térmicos possuem suficiente resistência estrutural para serem usados

como materiais de apoio de cargas. Eles podem, em determinadas ocasiões, ser

usados em pisos projetados para suportes de carga. Para estas aplicações, uma ou

mais das várias propriedades mecânicas de um isolante térmico incluindo resistência à

compressão, cisalhamento, tensão, tração, impacto e flexão, podem ser realmente

importantes. As propriedades mecânicas de um isolamento variam com a composiçãobásica, densidade, diâmetro da fibra e orientação, tipo e quantidade de material fibroso

que aumenta o poder de coesão (se existir), e com a temperatura à qual é realizada a

avaliação.




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2.11. Propriedades relativas à umidade

A presença de água ou gelo no isolamento térmico pode diminuir ou destruir o valor

isolante, pode causar deterioração da isolação, como danos estruturais por putrefação

ou decomposição, corrosão, ou pela ação expansiva da água congelada. A umidade

acumulada no interior de um isolamento térmico depende das temperaturas de

operação e condições ambientais, e da efetividade das barreiras de vapor de água em

relação a outras resistências de vapor no interior da estrutura composta. Alguns

isolantes são higroscópicos e absorverão ou perderão umidade proporcionalmente à

umidade relativa do ar em contato com o isolante. Isolantes fibrosos ou granuladospermitem a transmissão de vapor de água para o lado frio da estrutura. Uma barreira

de vapor efetiva, portanto, deverá ser usada quando da utilização deste tipo de

materiais, onde a transmissão de umidade é um fator a ser considerado. Determinados

isolantes térmicos possuem uma estrutura celular fechada, sendo relativamente

impermeáveis à água e vapor de água. As várias propriedades que expressam a

influência da umidade incluem: absorção (capilaridade); adsorção (higroscopicidade) e

taxa de transmissão de vapor de água.

2.12. Saúde e segurança

As várias propriedades dos isolantes térmicos relativas à saúde e segurança incluem:

incapacidade para suportar vermes e insetos; imunidade aos perigos de incêndio;

imunidade às pessoas quanto a partículas que possam causar irritações da pele;

imunidade quanto a vapores ou pó que possam afetar as pessoas; imunidade quanto à

putrefação, odores e envelhecimento.

2.13. Observações gerais sobre a construção

No momento em que o trocador de calor é exposto as condições operacionais em

função da diferença de temperatura existente entre o tubo e o casco, fica este sujeito a




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tensões oriundas da dilatação térmica correspondente. Caso essas tensões não

ultrapassem determinados valores admissíveis, é possível construir-se um trocador de

calor em que, construtivamente, toda dilatação térmica não é compensada através de

elemento construtivo adequado. Caso no entanto esses valores ultrapassem os valores

de tensões admissíveis, haverá a necessidade de que a dilatação térmica seja

compensada conforme os tipos de construção. Em função das observações aqui feitas,

é muito importante que, quando em operação, sejam considerados os limites de

diferença de temperatura máximos admissíveis. Para efeito de cálculo da necessidade

ou não de um sistema de absorção térmica, e considerado a seguinte condição: fluídoquente, entrando ou saindo com a mesma térmica em um trocador de calor instalado a

uma temperatura de 20 graus ambiente. Se as tensões térmicas deste cálculo não

forem superiores as tensões máximas admissíveis, não será instalado qualquer

dispositivo para compensações da dilatação térmica.

2.14. Entrada em operação

Antes da entrada em operação nos casos em que o fluído circulante é líquido, deverãoser parcialmente abertos os respiros adequados de forma a permitir a evacuação dos

gases. Caso o trocador de calor seja fornecido com alguma substância protetora, a

mesma deverá ser removida através de lavagem com solvente adequado. A drenagem

durante o processo de limpeza pode ser realizada em posição adequada na tubulação

ou mesmo nos drenos instalados no casco do trocador. Recomendamos que o trocador

de calor, em todas as suas conexões, seja provido de válvulas, de modo a possibilitar

quaisquer trabalhos ou mesmo até a desmontagem do trocador sem a necessidade deque a linha toda seja, para tanto, drenada. Para entrada em operação, o trocador de

calor deve ser inicialmente inundado, conforme já descrito, com o fluído refrigerante.

Após a total drenagem das bolhas de gás, os respiros correspondentes devem ser

fechados. Após isso, deve ser iniciado o mesmo procedimento para o fluído a ser




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resfriado. No caso em que a temperatura de entrada do fluído a ser resfriado seja

superior a temperatura do fluído refrigerante nas condições de trabalho, devem ser

tomadas todas as precauções necessárias para que nunca o fluído quente flua pelo

trocador sem que o fluído de resfriamento esteja em circulação. Nos casos em que a

pressão de projeto de um determinado lado do trocador seja extremamente superior a

pressão de projeto do outro, devem ser previstas pelo menos válvulas de segurança na

linha do fluído de menor pressão.

2.15. Limpeza

A necessidade da realização da limpeza nos trocadores é anunciada, geralmente, pela

perda de performance do mesmo. Como os agentes deste efeito dependem do grau de

sujeira de ambos os fluídos atuantes, não é possível formular-se uma diretriz geral para

intervalos de limpeza. Quando da limpeza, o trocador deverá ser retirado de operação.

Desde que as camadas não estejam extremamente agregadas aos tubos é possível

remover uma quantidade satisfatória destas, através de limpeza mecânica, ou seja,

com a combinação de jatos de água com escova de nylon. Para camadas cuja

aderência é mais interna, como por exemplo: incrustação de carbonato de cálcio, é

recomendável a utilização de ácido sulfúrico fraco (aproximadamente 0,5% H2SO4)

que, conforme a camada de incrustação, deverá ser aplicado com freqüência maior.

Entre cada aplicação o equipamento deve ser lavado com muita água limpa. Após a

remoção da incrustação é recomendável a utilização de uma solução de bi cromato de

sódio (7% Na2Cr207, 9% H2SO4), a qual tem efeito apassivador. É óbvio que não se

consegue um material que possua todas estas qualidades; procura-se sempre um que

satisfaça ao máximo a cada uma delas. Nisto reside a escolha de um bom isolantetérmico.




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3. MEMORIAL DE CÁLCULO E DIMENSIONAMENTO

3.1. Escolhas do trocador de calor

A escolha do trocador de calor a ser construído foi influenciada de acordo a facilidade

de construção e modelagem matemática do sistema. Conforme essas primícias foi

escolhido então a configuração Bitubular de tubos concêntricos. Conforme demostrado

na Figura 11.

Figura 11: Secção trocador de calor bitubular




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A seguir na Figura 12, é apresentado o modelo 3D do projeto a ser desempenhado.

Figura 12: Modelo 3D trocador bitubular concêntrico




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Para a escolha do casco foi escolhido o tubo de PVC, devido ao custo e

facilidade de manuseio, onde também as propriedades do tubo, são consideradas

suficientes para a troca térmica, cujo diâmetro é apresentado a seguir conforme

Tabela 1.

Tabela 1: diâmetro padrão de mercado para tubos PVC

Seguindo abaixo com diâmetros do tubo de PVC diâmetros menores, conforme Tabela 2.

Tabela 2: diâmetro menores padrão de mercado para tubos PVC




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Para o tubo interno foi escolhido um tubo de latão, apesar de não ser a melhor solução

para troca de calor, foi o material mais disponível para esse projeto. De acordo com a

Tabela 3 as dimensões do tubo são:

Tabela 3: Dimensões do tubo Latão

Dimensões Valor Unidade

Diâmetro interno 7 mm

Diâmetro externo 9 mm

Comprimento 300 mm

3.2. Hipóteses simplificadoras

1. Perda de calor para a vizinhança desprezível. 2. Mudanças nas energias cinética e potencial desprezíveis. 3. Propriedades constantes. 4. Resistência térmica na parede do tubo e fatores de deposição desprezíveis. 5. Condições de escoamento plenamente desenvolvidas em ambos os fluídos

(U independe de x)

Quantidade: 1 litro por minuto (l / min) de vazãoÉ igual a: 0,017 kg (massa de água) por segundo (kg / s) na taxa de fluxo

3.3. Variáveis de entrada

De acordo com a Tabela 4, as variáveis de entrada são:

Tabela 4: variáveis de entrada

Variável Simbolo Valor Unidade

Diâmetro externo do PVC DeP 0,032 m

Diâmetro externo do Latão DeL 0,009 m

Diâmetro interno Latão DiL 0,007 m

Comprimento do tubo latão LL 0,3 m

Comprimento do tubo PVC Lpvc 0,28 m

Coeficiente de condutividade térmicaLatão

KL 109,1 W/(m*K)




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Fluxo de massa (água 40°C) quente mq 8 litros/min

Fluxo de massa (água 20°C) fria mf 8 litros/min

Temperatuta quente de entrada Tqent 47 ºC

Temperatuta fria de entrada Tfent 20 ºC

Calor específico fluído frio (água 20°) cpf 4181,48 J/(kg*K) Calor específico fluído quente(água

47°) cpq 4180 J/(kg*K)

Condutividade térmica (água 20°) k1 603E3 W/(m*K)

Condutividade térmica (água 47°) k2 640E3 W/(m*K)

Viscosidade dinâmica (água 20°) u1 1004E6 N*s/m² Viscosidade dinâmica (água 47°) u2 577E6 N*s/m²

3.4. Variáveis a serem definidas

De acordo com a Tabela 5, as variáveis a ser definida são:

Tabela 5: variáveis a serem definidas

Variável Símbolo Valor Unidade Taxa de calor requerida (Equação ) q X W

Temperatura quente de saída

(Equação )

Tq,sai X

ºC

Temperatura fria de saída (Equação ) Tf,sai X ºC Diferença de temperatura média

logarítmica ΔTLMDT

X ºC

Área do tubo Ai X m²

Reynolds do tubo ReD X Adimensio

nal Numero de Nusselt ( Equação para

escoamento turbulento) NuD

X Adimensional

Coeficiente convectivo do fluidointerno

hi X

W/(m²*K)

Reynolds ReD X Adimensional

Coeficiente convectivo do fluidoexterno

he X

W/(m²*K)

Coeficiente global de troca térmica U X W/(m²*K)




30

3.4.1 Cálculo da transferência de fluxo de calor (q0 )

Para o cálculo de q0, ou seja, transferência de calor quando o delta de temperatura éTq,sai - Tf,sai, situação de entrada ou situação inicial, foram utilizadas as equações(eq. 1) e (eq. 2), de acordo os dados da tabela de entrada para a diferença detemperatura (delta)1, onde:

(delta)1 = Tq,sai - Tf,sai Diâmetro tudo pvc De 0,03

Diâmetro latão Di 0,007 expessura Latão (delta)L 0,001

expessira Entre-tubo (delta)x 0,0105 condutividade agua 20º kagua(20) 0,58 condutividade agua 40º kagua(40) 0,31

condutividade latão klatão 109,1 Temperatura fluido frio, ent Tf,ent 25 Temperatura fluido quente,

ent Tq,Entr 47

resistência fluido frio Rf 0,0060

34

resistencia fluido quente Rq 0,0338

71

resistência latão Rl

9,17E-

06

q0 = 551,18 [W] 3.4.2 Cálculo das Temperaturas de saída

Após obtido o valor de q0, é possível calcular a temperatura Tf,sai e Tq,sai. Utilizandoa equação (eq. 9), obtem-se:

3.4.2.1. Temperatura fluído frio

q 555,18 W/m²

mf 0,096 kg/s

cp,f 4181,5 J/kg.K

tf,ent 25 °C

tf,sai 26,383 °C




31

3.4.2.2. Temperatura Fluido Quente

q 555,18 W/m²

mq 0,096 kg/s

cp,q 4180 J/kg.K

tq,ent 47 °C

tq,sai 45,616 °C

3.5. Configuração contracorrente3.5.1. Cálculo da transferência de fluxo de calor (q)

Após a obtenção dos valores de temperatura para os dois fluidos, é possível achar aMedia Logarítmica das diferenças de temperatura (delta)TMLDT conforme equação(eq.5), obtemos então:

Esta etap a do s cálcu los aind a será realizada, e apresen tada na entreg a final d este

trabalho

Agora será calculado o valor do Coeficiente Global de troca térmica U, será utilizada aequação (eq. 3). Inicialmente será desconsiderado a resistência por deposição, mas asresistências de troca térmica dos dois fluidos serão consideradas, sendo assimobtemos então:


trabalho

Seguindo , será calculado a área de troca térmica para o fluido frio Ai, sendo: Ai = pi.Di.Lpvc.


trabalho




32

Para cálcular a média da distribuição de fluxo de calor ao longo do é tubo é usado a

equação (eq. 6), onde é obtido o valor:

Esta et apa dos cálcu los aind a será realizada, e apresen tada na entr ega fin al des te

trabalho

Agora, fixando a variáveis U,pi.Di , (delta)TMLDT, e variando L, é possível atingir umadistribuição do fluxo de calor em função do comprimento do tubo, conforme a Figura.


trabalho

Ou ainda deixando as variáveis fixas da equação (eq. 9) e (eq. 9.1), e variando o L , épossível obter o gráfico da distribuição de temperatura ao longo do tubo , em função docomprimento conforme a Figura.


trabalho

Correção da média logarítmica considerando um fator F

Considerando a equação (eq.10), (eq.10.1) e (eq.10.2).


trabalho

Partindo agora para o gráfico da distribuição de temperatura ao longo do comprimentoobtem-se:


trabalho




33

3.6. Configuração corrente paralela

3.6.1. Cálculo da transferência de fluxo de calor (q)

Após a obtenção dos valores de temperatura para os dois fluidos, é possível achar aMedia Logarítmica das diferenças de temperatura (delta)TMLDT conforme equação(eq.5), obtemos então:

Esta etap a do s cálcu los aind a será realizada, e apresen tada na entreg a fin al des te

trabalho

Agora será calculado o valor do Coeficiente Global de troca térmica U, será utilizada aequação (eq. 3). Inicialmente será desconsiderado a resistência por deposição, mas asresistências de troca térmica dos dois fluidos serão consideradas, sendo assimobtemos então:


trabalho

Seguindo , será calculado a área de troca térmica para o fluido frio Ai, sendo: Ai = pi.Di.Lpvc.


trabalho

Para calcular a média da distribuição de fluxo de calor ao longo do é tubo é usado aequação (eq. 6), onde é obtido o valor:

Esta etap a do s cálcu los aind a será realizada, e apresen tada na ent rega fi nal deste

trabalho

Agora, fixando a variáveis U,pi.Di , (delta)TMLDT, e variando L, é possível atingir umadistribuição do fluxo de calor em função do comprimento do tubo, conforme a Figura.


trabalho




34

Ou ainda deixando as variáveis fixas da equação (eq. 9) e (eq. 9.1), e variando o L , é

possível obter o gráfico da distribuição de temperatura ao longo do tubo , em função docomprimento conforme a Figura.

Esta et apa dos cálcu los aind a será realizada, e apresen tada n a entreg a final des te

trabalho

Correção da média logarítmica considerando um fator F Considerando a equação (eq.10), (eq.10.1) e (eq.10.2).

Esta etap a do s cálcu los aind a será realizada, e apresen tada na entrega final d estetrabalho

Partindo agora para o gráfico da distribuição de temperatura ao longo do comprimentoobtem-se:


trabalho

4. RESULTADOS E CONSTRUÇÃO Será concluído na segunda etapa do projeto, após a etapa de construção em seguida

será entregue o projeto final ao professor.

5. CONCLUSÃO

Será finalizado a conclusão após realizado a etapa anterior de resultados e construção




35

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Apostila do Curso de Transferência de Calor

KREITH, F e BOHN, M. S. Princípios de transferência de calor. Thonsom Pioneira.

BEJAN, A. Transferência de calor. Edgard Blucher.

GHIZZE, A. Manual de trocadores de calor, vasos e tanques. IBRASA.

INCROPERA, Frank P. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa.

Rev3Documentação Trocador de Calor.docx

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