PROJETO, CONSTRUÇÃO E AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE PROTÓTIPOS DE TROCADORES DE CALOR CASCO E TUBOS

Transcrição

1 PROJETO, CONSTRUÇÃO E AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE PROTÓTIPOS DE TROCADORES DE CALOR CASCO E TUBOS Wilson. M. Salvagnini 1 e Maria E. S. Taqueda 2 Universidade de São Paulo - Escola Politécnica Caixa Postal: 61548, CEP São Paulo Fone (11) Fax: (11) jackwill@uol.com.br Universidade de São Paulo - Escola Politécnica Caixa Postal: 61548, CEP São Paulo Fone (11) Fax: (11) mtaqueda@usp.br Resumo. As disciplinas Fenômenos de Transporte e Operações Unitárias da Indústria Química (da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo) vêm desde o ano passado implantando uma metodologia de ensino que tem como objetivo geral: a melhoria do ensino das disciplinas, casando os aspectos teóricos com os práticos fundamentais para o desenvolvimento profissional, e como objetivo específico: projeto, construção e avaliação do desempenho de protótipos de trocadores de calor casco e tubos, para condições de processo especificadas. Com esses objetivos estão convidados a participar, em caráter individual, estudantes de graduação regularmente matriculados nas disciplinas. Dentre os projetos recebidos, são pré-selecionados 4 para a fase seguinte, a da construção dos protótipos. Os projetos pré-selecionados tiveram seus protótipos construídos. Cada protótipo foi testado em bancada para comparação de desempenho de acordo com o critério distribuído juntamente com o enunciado. Este projeto faz parte do Programa REENGE financiado pela FINEP. Trata-se de um projeto de aprimoramento de disciplinas do ensino de graduação em engenharia, cujo desenvolvimento conste de dimensionamento de equipamentos. Com a implementação dessa metodologia, pôde-se constatar que este é um meio muito eficaz de aprendizado pois o trabalho desenvolvido no projeto foi verificado por meio da avaliação de desempenho do equipamento, presenciada por todos os alunos das disciplinas. Palavras chave: Protótipos, Trocadores de calor casco e tubos, Dimensionamento. NTM - 493

2 1. OBJETIVOS, JUSTIFICATIVA E GENERALIDADES As disciplinas Fenômenos de Transporte e Operações Unitárias da Indústria Química vêm desde o ano passado implantando uma metodologia de ensino que tem como objetivo geral: a melhoria do ensino das disciplinas, casando os aspectos teóricos com os práticos fundamentais para o desenvolvimento profissional, e como objetivo específico: projeto, construção e avaliação do desempenho de protótipos de trocadores de calor casco e tubos, para condições de processo especificadas. Com esses objetivos estão convidados a participar, em caráter individual, estudantes de graduação regularmente matriculados nas disciplinas. A relevância do trabalho está em se dar ao aluno a oportunidade de aplicar os conhecimentos adquiridos em sala de aula, elaborando projetos que serão avaliados por eles próprios, o que trará confiança em seus cálculos e uma saudável concorrência entre os alunos, para que o seu projeto seja pré-selecionado. Por serem os mais comuns na Indústria, os trocadores de calor casco e tubos, são o objeto de estudo deste trabalho. Embora não sejam os mais compactos, são os mais robustos e sua forma faz com que seja conveniente para operações sob pressão. Além disso, são muito versáteis e podem ser usados em quase todos os tipos de aplicação. Podem ser dimensionados para serviços que necessitam grande superfície de troca térmica e operações a altas temperaturas. Este projeto faz parte do Programa REENGE financiado pela FINEP. Trata-se de um projeto de aprimoramento de disciplinas do ensino de graduação em engenharia, e que em seu conteúdo programático constem métodos de dimensionamento de equipamentos. Este projeto foi aprovado e sua implementação teve início no segundo semestre de Dentre os projetos recebidos no ano passado, quatro foram pré-selecionados para a fase seguinte, a da construção dos protótipos. Os estudantes cujos projetos foram pré-selecionados receberam auxílio financeiro para a construção dos protótipos, de acordo com os projetos. Os protótipos foram testados em bancada de testes, com o objetivo de determinar-se o de melhor desempenho em função do critério, definido no Memorial Descritivo entregue aos alunos. A bancada foi construída no Laboratório de Separações Térmicas e Mecânicas, LSTM, do Departamento de Engenharia Química da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. 2. METODOLOGIA DE PRÉ-SELEÇÃO DOS PROJETOS A pré-seleção dos projetos foi feita por docentes, das disciplinas mencionadas, que fazem parte do LSTM. Na avaliação foram levados em conta itens importantes que afetam o critério de desempenho definido no memorial descritivo: adaptação da norma TEMA (Tubular Exchanger Manufactures Association) para o projeto do protótipo; utilização adequada dos métodos de cálculo da literatura aberta (métodos de KERN ou de BELL); que apresente simplicidade de construção e fácil acesso para manutenção; desenhos claros; protótipos que apresentem melhor desempenho, estimado segundo o critério proposto no memorial descritivo. 3. MEMORIAL DESCRITIVO Foi fornecido para os alunos o memorial apresentado a seguir: O protótipo do trocador de calor do tipo casco e tubos será utilizado para aquecer uma solução de sacarose, 10 % em massa, com vazão de 0,067 kg s -1, de 10,0 0 C, originalmente a 25,0 0 C, utilizando uma corrente de água, com vazão de 0,25 kg s -1, originalmente a 50,0 0 C. As correntes não devem ser misturadas, o protótipo não deve apresentar vazamentos e deve suportar os esforços exigidos pelo serviço. Durante a avaliação de desempenho, os protótipos que não produzirem um T maior ou igual a 8,0 0 C para a solução de sacarose, serão desclassificados. O trocador deverá ser projetado de forma a permitir a desmontagem do feixe de tubos para a limpeza interna e externa dos tubos e do interior do casco. Para facilitar a limpeza interna, o trocador deverá ser projetado e construído com tubos retilíneos em toda a extensão. O critério de desempenho será indicado pela maximização da eficiência de troca, isto é, a aproximação máxima do intervalo de temperatura da solução de sacarose por unidade de área de troca projetada, obtido experimentalmente em relação ao intervalo especificado no projeto, tendo em vista que os materiais dos protótipos serão os mesmos para todos. O projetista deverá especificar qual das duas correntes circulará pelo interior dos tubos. Os tubos especificados no projeto deverão ter limites inferior e superior para o diâmetro nominal, respectivamente, 0,005 m e 0,013 m. As entradas e saídas do trocador deverão ser rosqueadas. O comprimento do trocador não deverá ultrapassar a 0,50 m. Os prazos a serem seguidos serão: entrega dos enunciados em 03 de abril de Entrega dos projetos elaborados em 02 e 03 de maio de Os projetos serão examinados de 04 a 15 de maio de Em 15 de maio serão divulgados o resultado da pré-seleção. Os projetos pré-selecionados serão construídos até 20 de junho de A avaliação de desempenho dos protótipos em bancada de testes ocorrerá em 26 de junho de RESULTADOS OBTIDOS NO PRIMEIRO SEMESTRE DE 2000 Os quatro protótipos construídos apresentaram as superfícies de troca térmica que estão na Tabela 1. Os projetos NTM - 494

3 foram relacionados observando a ordem crescente de superfícies de troca térmica. Quando da pré-seleção dos melhores projetos observou-se que uma série de alunos chegaram em uma mesma área de troca, com pequenas alterações no passo e no número de chicanas, de modo que ficaria muito difícil escolher entre eles qual teria o melhor desempenho. Deste modo procedeu-se da seguinte maneira: o protótipo foi construído com o passo e a distância entre as chicanas médios. Tabela 1. Parâmetros geométricos dos projetos pré-selecionados Alunos Superfície de troca térmica (m 2 ) Joanna Nang Wu Yu 0,0816 Fábio Alexandre Malmegrin de Castro 0,0842 Grupo: André Martins Martini Camila Castilho Ramos Christini Kubo 0,0852 Fábio Arbaji Contin Fernando Giongu Vichi Paulo Eduardo Vilela Pacheco Rodrigo Vallejo Pereira 0,0871 A título de ilustração será mostrado o relatório do aluno Rodrigo Vallejo Pereira, N o USP , com suas respectivas figuras. Nota-se que os desenhos não seguem as normas técnicas dos projetos mecânicos. Pediu-se apenas para que os alunos apresentassem esquemas elucidativos que tornassem possível a construção do protótipo fiel ao projeto. 4 RESUMO DO RELATÓRIO DO ALUNO RODRIGO VALLEJO PEREIRA Projetar um protótipo de trocador de calor, casco e tubos, que deve ser utilizado para aquecer uma solução de sacarose a 10 % em massa com a vazão de 0,067 kg s -1, originalmente a 25 o C, utilizando-se outra corrente de água com vazão mássica de 0,25 kg s -1, originalmente a 50 o C. A variação de temperatura da solução de sacarose não deve ser menor do que 8 o C na fase de testes. Os diâmetros nominais dos tubos especificados no projeto deverão estar na faixa de 0,005 a 0,013 m. As entradas e saídas dos trocadores deverão ser rosqueadas com rosca cônico padrão de 0,0189 m. A solução obtida seguiu o método Kern, apresentado nas referências [1] e [4] para trocadores de calor casco e tubos. Tentou-se seguir todos os conhecimentos empíricos e equações propostas por Kern [1], porém foi muito difícil que todas fossem seguidas à risca para um protótipo de trocador de calor, pois com tamanho menor que o trocador industrial, as dificuldades para a realização das estruturas mecânicas seriam muito grandes. Porém as modificações realizadas não afetaram o rendimento do experimento. Memorial de cálculo descritivo: neste item, foram descritas as equações propostas para a solução do problema, assim como algumas peculiaridades encontradas na resolução do problema. As equações utilizadas para o cálculo de propriedades físico-químicas também foram mostradas. As propriedades da solução de açúcar e da água a 10 % em massa foram estimadas segundo Peacock [2] e as da água segundo Perry [3]. Como os fluídos foram água e solução aquosa, adotou-se a hipótese de que a média das temperaturas dos fluídos de entrada e saída do trocador foi a temperatura utilizada no cálculo das propriedades físico-químicas dos fluídos. Para as temperaturas de processo a primeira hipótese adotada foi um fator de segurança de 20 % acrescido a variação de temperatura de 10 o C para a solução de açúcar. A temperatura de saída do fluido foi feita por método iterativo, tendo em vista que a capacidade térmica variava com a temperatura. Baseando-se nas considerações adotadas, iniciou-se o procedimento de cálculo proposto por Kern [1], utilizando algumas atualizações apresentadas nas notas de aulas da disciplina, Taqueda [4]. Os cálculos para se chegar à melhor alternativa foram realizados por meio de planilha iterativa. Os desenhos do projeto foram anexados, porém muitos detalhes construtivos nem sempre apareceram nos desenhos. Ainda, deixou-se de apresentar alguns desenhos porque são padronizados. O casco foi formado por um tubo de 0,0508 m de diâmetro nominal com 0,4797 m de comprimento. Uma peculiaridade foi que o casco foi fechado em uma das extremidades. A proposta foi que o casco fosse construído com tubos IPS padrão (schedule 40). As entradas e saídas tanto do casco quanto do cabeçote foram formados por tubo de 0,0095 m de diâmetro e 22 BWG, com 0,05 m de comprimento. O cabeçote móvel foi formado por um tubo de 0,0508 m de diâmetro, 24 BWG, e comprimento 0,0194 m. Este cabeçote tinha fixo um defletor com 0,002 mm de espessura (divisor de passagens pelos tubos). O cabeçote fixo foi formado por um espelho, um pedaço de tubo fechado com um tampão com extremidades arredondadas. Os cabeçotes devem foram em latão, e estão mostrados na Fig. 1. Os espelhos foram formados por chapas com 2 mm de espessura com furos mostrando um arranjo triangular dos tubos, para que o coeficiente de película no casco fosse maior. Uma preocupação constante foi a escolha do passo, de NTM - 495

4 modo que se tivesse facilidade de construção sem comprometer a resistência do espelho. A distância centro a centro dos tubos (passo) proposta foi de 0,01016 m. A distribuição dos tubos no espelho pode ser vista na Fig. 1 ou Fig. 2. Os dois espelhos foram diferentes por um único aspecto, o que está acoplado ao cabeçote móvel deve ter um sulco de 1mm de profundidade e 0,002mm de espessura para o encaixe do defletor. Os espelhos foram construídos em latão com diâmetro 0,00102 m menor do que o diâmetro interno do casco. As chicanas foram muito parecidas com os espelhos, porém com 1mm de espessura e com um corte de 25 % do diâmetro. Elas podem ser melhor vistas na Fig. 2. O trocador proposto tinha um total de 24 chicanas distanciadas de 0,01998 m. Os tirantes tinham o mesmo comprimento dos tubos, eram 4 e tinham o diâmetro 0, m. Poderiam ser feitos em aço carbono ou aço inoxidável. Deveriam ser fixos nos espelhos, conforme a Fig.2. Foram projetados dois flanges, um em aço carbono e outro em latão. Estes deveriam ser fixados respectivamente no casco e no cabeçote móvel, como mostra a Fig AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO O desempenho dos protótipos foi testado em bancada construída para este fim. Todos os alunos das disciplinas participaram das experiências e apresentaram relatório sucinto com o cálculo do índice de desempenho baseado no critério definido no memorial descritivo. Para a avaliação, o trocador a ser testado foi conectado à bancada como mostra a foto da Fig. 3. A seguir fizeramse passar as solução de sacarose e água quente pelo trocador. Após atingir estado estacionário, verificado pela a estabilização das temperaturas de saída da água e da solução de sacarose, procederam-se as leituras das temperaturas de entrada e saída, da solução (t 1 e t 2 ) e da água (T 1 e T 2 ), no protótipo de trocador de calor casco e tubos. A temperatura de entrada da solução de sacarose foi tomada como a temperatura ambiente do dia 26 de junho na cidade de São Paulo, e não a temperatura prevista no memorial, por não se ter como controlar esta temperatura em 25 o C, felizmente esta variação foi de apenas 0,5 o C. Já a temperatura da água quente foi mantida entre 49,5 e 51 o C, conforme apresentado na Tabela 2. Nesta Tabela também estão apresentados os resultados das temperaturas terminais e os índices de desempenho mostrado na última coluna da tabela em ordem decrescente. Ainda observando a Tabela 2, nota-se que o protótipo que apresentou melhor desempenho foi o apresentado pelo grupo de alunos e que todos os protótipos selecionados realizaram a troca de calor mínima especificado no memorial, elevando a temperatura da solução de sacarose em mais de 10 o C. Figura 1. Esquema do trocador de calor aberto, onde aparecem o casco, os dois cabeçotes, o feixe de tubos e as chicanas de perfil. NTM - 496

5 Figura 2. Esquema do trocador de calor aberto, onde podem ser vistos em tamanho maior as chicanas, os tirantes e as flanges Tabela 2. Temperaturas terminais experimentais da solução de sacarose (fluido frio) e água (fluido quente), para estimativa do critério de desempenho descrito no memorial descritivo Solução de sacarose Água Alunos t 1 ( o C) t 2 ( o C) Vazão T 1 ( o C) T 2 ( o C) Vazão kg s -1 kg s -1 Grupo: André Martins Martini Camila Castilho Ramos Christini Kubo Fábio Arbaji Contin Fernando Giongu Vichi Paulo Eduardo Vilela Pacheco Área (m 2 ) Critério ( o C/m 2 ) 24,5 39,3 0, ,0 0,25 0, ,71 Joanna Nang Wu Yu 24,5 38,0 0, ,5 0,25 0, ,44 Fábio Alexandre Malmegrin de Castro 24,5 36,0 0, ,5 0,25 0, ,58 Rodrigo Vallejo Pereira 24,5 36,0 0,067 49,5 46 0,25 0, ,03 Na Figura 3, mencionada anteriormente também podem ser vistos os professores e alguns alunos quando da avaliação do protótipo do Aluno Fábio Alexandre Malmegrin de Castro. Portanto, os alunos demonstraram uma grande maturidade no uso dos métodos de cálculo, e também grande interesse durante o experimento da avaliação de desempenho. 5. PREMIAÇÃO Os autores de todos os projetos selecionados para a construção de protótipos receberam certificados de participação. 6. CONCLUSÃO Com a implementação dessa metodologia nessas disciplinas pôde-se constatar que este foi um meio muito eficaz de aprendizado, porque o trabalho desenvolvido no projeto foi verificado por meio da avaliação de desempenho do equipamento projetado pelos alunos e ensaios de avaliação presenciados por todos os alunos das disciplinas. Com isso, NTM - 497

6 os alunos passaram a adquirir uma grande confiança nos métodos e em si próprios, o que talvez tenha sido o maior fruto da metodologia empregada. Figura 3. Foto apresentando parte da bancada de testes construída para avaliação de desempenho dos protótipos de trocadores de calor casco e tubos. Agradecimentos Os autores agradecem à FINEP pelo apoio financeiro, à Escola Politécnica da USP pelo uso das Instalações e o apoio de todos os alunos das disciplinas mencionadas neste trabalho. 7. BIBLIOGRAFIA [1] J..M. Kern. Process heat transfer. Mc Graw Hill, Tokyo, [2] S. Peacock. Predicting physical properties of factory juices and syrups. Int. Sugar Jnl., V.97, p , [3] R. H. Perry e D. Green. Chemical engineer s handbook. New York, Mc Graw-Hill, [4] M. E. S. Taqueda. PQI-159 Operações Unitárias da Indústria Química V. Notas de Aula, Atualizadas em fevereiro de NTM - 498