Classificação de Trocadores de Calor

Transcrição

1 Trocadores de Calor

2 Trocadores de Calor Equipamento usados para implementar a troca de calor entre dois ou mais fluidos sujeitos a diferentes temperaturas são denominados trocadores de calor

3 Classificação de Trocadores de Calor

4 Contato Direto

5 Contato Direto

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8 Contato Indireto Armazenamento

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17 Contato Indireto Armazenamento

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19 Contato Indireto Transferência Direta

20 Contato Indireto Transferência Direta

21 Contato Indireto Tubular

22 Casco Tubo ou Carcaça Tubo

23 Contato Indireto Tubular

24 Tubo Duplo

25 Contato Indireto Tubular

26 Serpentina

27 Contato Indireto Placa

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29 Trocador de Calor Tubo Aletado

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31 Trocador de Calor de Placas

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33 Classificação dos Trocadores de Calor Correntes paralelas. Os fluidos quente e frio entram na mesma extremidade do trocador de calor, fluem na mesma direção, e deixam juntos a outra extremidade. Escoamento Paralelo

34 Classificação dos Trocadores de Calor Contracorrente. Os fluidos quente e frio entram em extremidades opostas do trocador de calor e fluem em direções opostas. Escoamento Contracorrente

35 Classificação dos Trocadores de Calor

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42 Exemplo 1 Óleo quente deve ser resfriado em um trocador de calor de tubo duplo em contracorrente. Os tubos de cobre internos tem diâmetro de 2 cm e espessura desprezível. O diâmetro interno do tubo externo (casco) é 3 cm. A água escoa através do tubo a uma taxa de 0,5 kg/s, e o óleo escoa através do casco a uma taxa de 0,8 kg/s. Considerando as temperaturas médias da água e do óleo como 45⁰C e 80⁰C, respectivamente, determine o coeficiente global de transferência de calor desse trocador de calor.

43 Análise de Trocadores de Calor Trocadores funcionam normalmente durante longos períodos de tempo sem qualquer alteração (regime permanente) Assim: - vazão mássica dos fluidos permanece constante - propriedades, temperatura e velocidades em qualquer entrada e saída permanecem as mesmas - Sem mudança nas energias cinética e potencial - Calor específico pode ser tratado como constante para um valor médio - Condução axial desprezível - Superfície externa perfeitamente isolada

44 Temperatura Média Logarítmica

45 Temperatura Média Logarítmica

46 Temperatura Média Logarítmica

47 Temperatura Média Logarítmica

48 Corrente Paralela Grande diferença de temperatura na entrada do trocador Diminui exponencialmente em direção a saída Temperatura do fluido frio nunca poderá exceder a do fluido quente

49 Contracorrente Temperatura de saída do fluido frio pode exceder a temperatura de saída do fluido quente. No caso-limite, o fluido frio será aquecido até a temperatura de entrada do fluido quente Temperatura do fluido frio nunca poderá exceder a temperatura de entrada do fluido quente T lm,cf > T lm,pf portanto para uma determinada taxa de T.C. o trocador de calor contracorrente necessita de uma menor área (trocador de calor menor)

50 Temperatura Média Logarítmica

51 Trocador de Calor de Multipasses e Escoamento Cruzado: Fator de Correção Para o caso de trocadores de calor casco tubo com mais de um passe pode-se utilizar um fator de correção. Onde F é o fator e correção, que dependa da geométrica do trocador e das temperaturas de entrada e saída dos escoamentos frio e quente. O ΔT lm,cf é a diferença de temperatura media logarítmica para o caso de um trocador de calor contracorrente.

52 O fator de correção é função de duas razões de temperatura P e R definidas como: 1 e 2 entrada e saída T e t lado casco e lado tubo

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55 P varia de 0 a 1 R varia de 0 a infinito, com R = 0 correspondente a mudança de fase (condensação e ebulição) no lado do casco e R = infinito a mudança de fase no lado do tubo. O fator de correção é F = 1 para esses dois casos. Portanto, o fator de correção para um evaporador e um condensador é F = 1, independentemente da configuração do trocador de calor.

56 Exemplo 2 Vapor no condensador de uma termoelétrica deve ser condensado a uma temperatura de 30⁰C com agua de refrigeração de um lago próximo que entra nos tubos do condensador a 14⁰C e os deixa a 22 ⁰C. A superfície dos tubos tem 45 m 2, e o coeficiente global de transferência de calor é 2100 W/ m 2 K. Determine a vazão mássica necessária da água de resfriamento e a taxa de condensação do vapor no condensador

57 Exemplo 3

58 Exemplo 4 Um teste é realizado para determinar o coeficiente global de transferência de calor em um radiador automotivo, que é um trocador de calor compacto de escoamento cruzado água-ar com ambos os fluidos não misturados. O radiador tem 40 tubos de 0,5 cm de diâmetro interno e 65 cm de comprimento, estreitamente espaçados em uma matriz de placas aletadas. A água quente entra nos tubos a 90 ⁰C a uma taxa de 0,6 kg/s e os deixa a 65 ⁰C. O ar escoa através do radiador pelos espaços entre aletas, sendo aquecido a partir de 20 ⁰C até 40 ⁰C. Determine o coeficiente global de transferência de calor U desse radiador com base na superfície interna dos tubos.

59 Método da Efetividade de NUT Se as temperaturas de entrada e de saída do fluido quente e do fluido frio, assim como o coeficiente da transferência de calor global, forem especificadas, o método da DTML, com ou sem a correção, pode ser empregado para resolver o problema do cálculo térmico ou do dimensionamento. Em algumas situações são dadas apenas as temperaturas de entrada e as vazões dos fluidos quente e frio, e o coeficiente de transferência de calor global pode ser estimado. Em tais casos, a temperatura média logarítmica não pode ser determinada, pois as temperaturas de saída não são conhecidas. Por isso, o método da DTML na análise térmica dos trocadores de calor envolverá iterações tediosas para se determinar o valor próprio da DTML que satisfaça a exigência de o calor transferido no trocador de calor ser igual ao calor arrastado pelo fluido.

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70 Exemplo 5 Um trocador de calor contracorrente de tubo duplo deve aquecer água de 20⁰C a 80⁰C a uma taxa de 1,2 kg/s. O aquecimento é obtido por água geotérmica disponível a 160⁰C com vazão mássica de 2 kg/s. O tubo interno tem parede fina e diâmetro de 1,5 cm. O coeficiente global de transferência de calor do trocador de calor é 640 W/m 2 K. Usando o método da efetividade-ntu, determine o comprimento do trocador de calor necessário para alcançar o aquecimento desejado.

71 Exemplo 6 Óleo quente deve ser resfriado com água em um trocador de calor com 1 passe no casco e 8 passes nos tubos. Os tubos tem paredes finas de cobre e diâmetro interno de 1,4 cm. O comprimento de cada passe de tubo no trocador de calor é 5 m, e o coeficiente global de transferência de calor é 310 W/m 2 K. A água escoa através dos tubos a uma taxa de 0,2 kg/s, e o óleo escoa através do casco a uma taxa de 0,3 kg/s. Água e óleo entram com temperaturas de 20⁰C e 150⁰C, respectivamente. Determine a taxa de transferência de calor no trocador de calor e as temperaturas de saída da água e de óleo.

72 Exemplo 7 Gases quentes de exaustão, a uma temperatura de 300⁰C, entram em um trocador de calor com tubos aletados e escoamento cruzado e deixam esse trocador a 100⁰C, sendo usados para aquecer uma vazão de 1 kg/s de água pressurizado de 35⁰C a 125⁰C. O coeficiente global de transferência de calor com base na área superficial no lado do gás é igual a U q = 100 W/m 2 K. Utilizando o método ε-nut, determine a área superficial no lado do gás, A q, necessária para a troca térmica especificada.

73 Exemplo 8 Considere o projeto do trocador de calor do exemplo anterior, ou seja, de um trocador de calor de tubos aletados e escoamento cruzado, com um coeficiente global de transferência de calor e área no lado do gás 100 W/m 2 K e 40 m 2, respectivamente. A vazão mássica e a temperatura de entrada da água permanecem iguais a 1 kg/s e 35⁰C. Entretanto, uma mudança nas condições operacionais do gerador de gases quentes faz com que os gases passem a entrar no trocador de calor a uma vazão de 1,5 kg/s e a uma temperatura de 250⁰C. Qual é a taxa de transferência de calor no trocador e quais são as temperaturas de saída do gás e da água? Considere c p dos gases 1000 J/kgK

74 Exemplo 9 O condensador de uma grande usina de potência a vapor é um trocador de calor na qual há a condensação de vapor de água em água líquida. Considere que o condensador é um trocador de calor casco tubo com um único casco e tubos, cada um efetuando dois passes. Os tubos tem parede delgada e diâmetro D = 25 mm, o vapor condensa sobre a superfície externa dos tubos, com um coeficiente de transferência de calor associado a condensação igual a h e = W/m 2 K. A taxa de transferência de calor que deve ser efetivada pelo trocador é de q = 2x10 9 W, e isto é atingido pela passagem de água de resfriamento através os tubos a uma vazão de 3x10 4 kg/s (a vazão em cada tubo é portanto de 1 kg/s). A água entra nos tubos a 20⁰C, enquanto o vapor condensa a uma temperatura de 50⁰C. Qual é a temperatura da água de resfriamento na saída do condensador? Qual deve ser o comprimento L, por passe, dos tubos?

75 Exemplo 10 Uma planta de potência geotérmica utiliza água subterrânea de grande profundidade, sob pressão, a T G = 147⁰C com fonte de calor para um ciclo de Rankine orgânico. Um evaporador, constituído por um trocador de calor casco tubo, verticalmente posicionado, com um passe no casco e um passe no tubo, transfere energia entre a água subterrânea, passando pelos tubos, e o fluido orgânico do ciclo de potência, escoando pelo casco, em uma configuração contracorrente. O fluido orgânico entra no casco do evaporador como um líquido subresfriado a T f,ent = 27⁰C e deixa o evaporador como um vapor saturado, com qualidade X R,sai = 1 e temperatura T f,sai = T sat = 122⁰C. No interior do evaporador, há transferência de calor entre a água subterrânea líquida e o fluido orgânico no Estágio A com U A = 900 W/m 2 K, e entre a água subterrânea líquida e o fluido orgânico em ebulição no Estágio B com U A = 1200 W/m 2 K. Para vazões da água subterrânea e do fluido orgânico de ṁ G = 10 kg/s e ṁ R = 5,2 kg/s, respectivamente, determine a área da superfície de transferência de calor requerida do evaporador. O calor específico do fluido orgânico líquido no ciclo Rankine é c p,r = 1300 J/kgK e seu calor latente de vaporização é h fg = 110 kj/kg.

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