5.3 PROJETO TÉRMICO DIMENSIONAMENTO DO TROCADOR DE CALOR

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1 Equipameno Troa Térmia PROJETO TÉRMICO DIMENSIONAMENTO DO TROCADOR DE CALOR INTRODUÇÃO O projeo érmio um roador alor iniia propondo-e um roador alor para a realização erminado erviço, e poeriormene é eia veriiação da área roa érmia e da perda arga Requiio a erem obervado O primeiro pao no projeo um roador alor, ane do dimenionameno ermo-hidráulio onie no eabeleimeno do requiio a erem obeido pela unida, levando em ona a inormaçõe já via no ien aneriore Tranerênia Calor Epeiiação do luido Epeiiação da emperaura enrada e aída (ou aixa emperaura poívei) Dearga do luido Formação póio Perda Carga A perda arga no ubo o no ao ve iar nro do limie eabeleido, prourando-e empre, para melhor roa alor, uar oda perda arga diponível. Alguma veze a veloida do luido é epeiiada ao invé da perda arga admiível Reriçõe Tamanho Freqüenemene há reriçõe quano ao omprimeno, alura, largura, volume ou peo um roador. A limiaçõe pom e reerir ao roador propriamene dio, envolvendo muia veze queõe uniormização om ouro roadore já exiene ma, ambém, previõe para manuenção. Po oorrer, por exemplo, que o roador eja inalado modo que o eixe poa er removido pela imple aberura do roador, e haja epaço diponível para a operação. Oura reriçõe pom oorrer no enido ailiar a drenagem, remoção verial do eixe, e Oura Coniraçõe Expanão Térmia Maeriai Hermeiida Manuenção Cuo

2 Loação do Fluido Equipameno Troa Térmia Epeiiação iniial do ipo e dimenõe do roador A epeiiação iniial do ipo do roador a er empregado é eia, em geral, om bae no roadore já exiene, que enham apreenado reulado aiaório em oura apliaçõe, gran imporânia endo dada a que o luido uilizado ejam o memo. Apó ea oniraçõe o roador a er uado em eu ampo opçõe ereiado pela oniraçõe expanão érmia, previão manuenção, abriação, e., que pom erminar a dipoição geoméria, diâmero e omprimeno do ubo, o número rajeo no ubo, o ipo abeçoe raeiro e Dimenionameno Termo-Hidráulio Apó a epeiiação preliminar do roador proura-e dimenioná-lo modo a que aiaça imulaneamene o requiio alor a ranerir e a perda arga admiívei para o eoameno do luida no ubo e no ao. Maiore veloida do luido, que impliam em maiore perda arga e poênia bombeameno, e raduzem em maiore oeiiene pelíula, melhor roa alor e, oneqüenemene, menor neeida área roa, reulando em roadore menore a mai barao. O luxo alor roado e a poênia bombeameno por unida área roa variam om a veloida do luido egundo expoene dierene, o que garane a onvergênia para reulado aiaório (inveimeno no roador veru uo operação e manuenção) Méodo Cálulo Exiem vário méodo para dimenionameno roadore alor, algun diponívei aravé da lieraura énia abera e ouro, mai apereiçoado, geralmene aoplado a programa ompuador, que pom er obida aravé onrao om enida privada, envolvendo pagameno. Enre ea enida epeializada, que onenram aualmene a pequia na área roa alor indurial, eão o HTRI (Hea Traner Reearh, In, no Eado Unido), e o HTFS (Hea Traner and Fluid Flow Servie, na Inglaerra). O prinipai méodo álulo na lieraura abera ão o Kern, Bell e Tinker. Méodo Kern É o mai radiional odo, eando onido no livra "Proe Hea Traner'', da MGraw-Hill, Ao que ona, egundo publiaçõe do HTRI, a preião do méodo é raa, om erro pondo hegar a orm enena por eno (geralmene om uma margem a avor da egurança), prinipalmene para parda arga e eoameno laminar. Méodo do Bell Ee méodo oi envolvido na Univerida Delaware, no Eado Unida e, novamene, egundo publiação do HTRI, em omparação om dado experimenai, morou-e o méodo mai preio nro o méodo da lieraura abera. Reerênia para o méodo ão:

3 Equipameno Troa Térmia - 15 [1] Bell, K. J., "Exhanger Deign Baed on he Delaware Reearh Program", Pero/Chem Engineer, 3, pp C-6-C40C, O [] Bell, K. J., " Eimae S & T Exhanger Deign Fa, Oil and Ga Journal, pp 59=68, De 4, 1978 Méodo do Tinker O méodo análie da orrene oi propoo por Tinker em 1947, e é onirado o méodo mai ompleo, endo ido a bae para o méodo mai envolvido, ó diponívei por onrao, orno o HTRI. Tinker reonheeu que a have para a olução do eoameno aravé do ao eria dividi-lo numa érie orrene eparada, a orrene B, A, C, F e E, ada uma om dierene peo quano à ranerênia alor e perda arga (Figura 5.1) Figura 5.1 Correne Tinker. Reerênia para o méodo Tinker ão: [1] T. Tinker, "Shell i haraerii o hell and ube hea exhanger", Tran. ASME 80:36, 1958 [] Fraa. A.P. & Oziik, M.N., "Hea Exhanger Deign", John Willey & Son, 1965, pp [3] Devore, A., "Try hi impliied mehod or raing baled exhanger", Peroleum Reiner, May 1961, pp Nee rabalho erá uado uma adapação do méodo Tinker, baeada na reerênia menionada BALANÇO TÉRMICO Equaçõe Fundamenai A axa ranerênia alor Q & enre o luido quene e rio num roador alor ao e ubo po er eria: ( T1 T ) ( T T ) Q & = m& Cp (5.1) Q & = m& Cp (5.) 1

4 i i ( T T ) i Equipameno Troa Térmia - 16 Q & = h A (5.3) k π n L ln di ( T T ) & = (5.4) i e Q e e ( T T ) Q & = h A (5.5) e Q & = U A e T (5.6) m Para ano admie-e prezível a perda alor para o meio ambiene. Símbolo: m& = arga luido nro do ubo kg Cp = alor epeíio médio do luido do ubo kj o kg. C = o C T1 emperaura enrada do luido do ubo ( ) T = emperaura aída do luido do ubo ( C) m& = arga luido no ao kg Cp = alor epeíio médio do luido do ao kj o kg. C = o C T1 emperaura enrada do luido do ao ( ) T = emperaura aída do luido do ao ( C) hi = oeiiene pelíula médio na pare inerna do ubo W o m. C = m Ai área roa alor da uperíie inerna do ubo ( ) T = emperaura média do luido do ubo ( C) T = emperaura média da uperíie inerna do ubo ( C) i k = onduivida érmia do maerial do ubo W m. o C L = omprimeno oal do ubo ( m ) n = número oal ubo do roador. di = diâmero inerno do ubo = diâmero exerno do ubo T = emperaura média da uperíie exerna do ubo ( o C) e

5 Equipameno Troa Térmia - 17 he = oeiiene pelíula médio na pare exerna do ubo W o m. C Ae = área roa alor da uperíie exerna do ubo ( m ) T = emperaura média do luido do ao ( o C) U = oeiiene global ranerênia alor W o m. C T = dierença média emperaura enre o luido ( o C) m on: O luxo maa G para o eoameno nro do ubo po er erio: ρ = maa epeíia média do luido do ubo kg 3 m V = veloida média do eoameno nro do ubo ( m ) N = número rajeo no ubo S = área da eção eoameno inerna um ubo ( m ) i G m& = ρ V = (5.7) n Si N π di Si = (5.8) 4 O luxo maa G para o eoameno no ao po er erio: G m& b = (5.9) S on: m& b = arga da orrene b, que é a ração do eoameno oal que realmene ruza o eixe ubo. S on: = área da eção eoameno para o luxo ruzado aravé do eixe ubo l = diânia enre dua hiana adjaene ( m ) D = diâmero do eixe ( m ) S = C l D (5.10) a on é o pao do ubo, e C a = Cb (5.11)

6 C = 0,97 para e b Equipameno Troa Térmia - 18 C 7 para b on: e Sh Para erminar o oeiiene pelíula para o eoameno no ao em-e: F h G m& h = (5.1) Sh S M S h = (5.13) Fh = 1+ N = área eeiva da eção eoameno para eeio roa alor. F h e M ão aore orreivo. F h é a ração eoameno oal que aravea S. 1 h Di (5.14) Di = diâmero inerno do ao. M e N h ão obido na abela onane na Figura 5.13, 5.14 e 5.15 on: e Para álulo da perda arga no eoameno aravé do ao ine-e: F p G m& = (5.15) S S S = (5.16) Fp 1 = 0,8 + N p (5.17) Di O aor N p ona na abela onane na Figura 5.13, 5.14 e 5.15 A área exerna A e roa alor do ubo é dada por: A e = nπ L (5.18) on L é o omprimeno úil roa alor um ubo, na realida ' L = omprimeno real um ubo e = epeura do epelho do roador ' L = L e (5.19)

7 Equipameno Troa Térmia - 19 Figura 5.13 Diagrama Tinker para arranjo riangular.

8 Equipameno Troa Térmia Figura 5.14 Diagrama Tinker para arranjo quadrado.

9 Equipameno Troa Térmia Figura 5.15 Diagrama Tinker para arranjo quadrado rodado.

10 Equipameno Troa Térmia - 13 Equaçõe da urva apreenada na Figura 5.13, 5.14 e 5.15 Equaçõe para álulo do oeiiene ranerênia alor por onveção no ao. Arranjo quadrado: 1 < Re < 100 j h = 0,385 Re 0,56 0 Arranjo riangular: 1 < Re < Arranjo quadrado rodado: 1 < Re < j h = 0,487 Re j h = 0,497 Re j h = 0,378 Re j h = 0,496 Re j h = 0,354 Re 0,65 0,54 0,59 0,54 0,61 Equaçõe para álulo do aor ario para eoameno no ao. Arranjo quadrado: = 30 Re 1 = 16,3 Re =,67 Re 0,45 0,173 = 14, Re 0,949 = 11,93 Re 0,49 = 1,77 Re 0,144 = 110,77 Re = 7,54 Re = 1,01 Re 0,965 0,4 0,104

11 Equipameno Troa Térmia = 58,18 Re 0,86 = 6,76 Re 0,411 = 0,718 Re 0,008 Arranjo riangular: = 76,46 Re = 30,6 Re =,93 Re 0,979 0,53 0,186 = 08,14 Re 0,945 = 7,6 Re 0,55 =,7 Re 0,163 = 1,73 Re 0,865 = 17,8 Re 0,474 = 1,86 Re 0,146 = 104,33 Re = 1,69 Re = 1,56 Re 0,869 0,434 0,19

12 Arranjo quadrado rodado: Equipameno Troa Térmia = 190,47 Re = 3, Re = 1,87 Re 0,979 0,536 0,165 = 134,74 Re 0,95 = 18,16 Re 0,51 = 1,71 Re 0,158 = 89,44 Re 0,87 = 13,39 Re 0,476 = 1,43 Re 0,143 = 71,43 Re 0,854 = 9,87 Re 0,441 = 1,18 Re 0, Coeiiene Global Tranerênia Calor O oeiiene global ranerênia alor U é dado pela expreão: 1 U = (5.0) Ae Rdi Ae Ae R ln + + η h A η A k πl di η η h i i i i i on e admiiu ubo aleado ano inerna omo exernamene e póio nro e ora do ubo. η = eiiênia oal da uperíie inerna do ubo. i ηe = eiiênia oal da uperíie exerna do ubo. e e e

13 Equipameno Troa Térmia Rdi = reiênia auada pelo póio na uperíie inerna do ubo ( m. ) o C. W R = reiênia auada pelo póio na uperíie exerna do ubo ( m. ) o C. W Em geral, on: A = área ranerênia alor da alea ( m ). A ( Φ) η = 1 1 (5.1) A A = área ranerênia alor, inluindo a uperíie do ubo e da alea ( m ). Φ = eiiênia da alea. A expreão.0 pré-upõe proprieda onane (valor médio) ao longo do roador alor. Conirando ubo não aleado ela po er impliiada para: 1 U = (5.) Rdi R ln + + h di di k di h A abela 5.7 apreena valore ípio U. i e

14 Equipameno Troa Térmia Tabela 5.7- Coeiiene global ranerênia alor. Fluido 1 Fluido Reiênia póio oal Coeiiene global roa érmia m. o C W W o m. C Água Água 0, Água Gá, preão ~1 bar 0, Água Gá, preão ~10 bar 0, Água Gá, preão ~100 bar 0, Água Líquido orgânio leve 0, Água Líquido orgânio médio 0, Água Líquido orgânio peado 0, Água 0,0007 Líquido orgânio muio peado - Aqueendo - Reriando Vapor água Gá, preão ~1 bar 0, Vapor água Gá, preão ~10 bar 0, Vapor água Gá, preão ~100 bar 0, Vapor água Líquido orgânio leve 0, Vapor água Líquido orgânio médio 0, Vapor água Líquido orgânio peado 0, Vapor água Líquido orgânio muio peado 0, Vapor água Água 0, Líquido orgânio leve Líquido orgânio leve 0, Líquido orgânio leve Líquido orgânio médio 0, Líquido orgânio leve Líquido orgânio leve Líquido orgânio peado - Aqueendo - Reriando Líquido orgânio muio peado - Aqueendo - Reriando 0, , Líquido orgânio médio Líquido orgânio médio 0, Líquido orgânio médio Líquido orgânio médio Líquido orgânio peado - Aqueendo - Reriando Líquido orgânio muio peado - Aqueendo - Reriando 0, , Líquido orgânio peado Líquido orgânio peado 0, Líquido orgânio peado Líquido orgânio muio peado 0, Gá, preão ~1 bar Gá, preão ~1 bar Gá, preão ~1 bar Gá, preão ~10 bar Gá, preão ~1 bar Gá, preão ~100 bar Gá, preão ~10 bar Gá, preão ~10 bar Gá, preão ~10 bar Gá, preão ~100 bar Gá, preão ~100 bar Gá, preão ~100 bar Água Connando vapor orgânio 0, leve (puro) Água Connando vapor orgânio 0, médio (puro) Água Connando vapor orgânio peado (puro) 0,