Trocadores de Calor. Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira

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1 Trocadores de Calor Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira

2 Trocadores de Calor Os trocadores de calor são equipamentos que facilitam a transferência de calor entre dois ou mais fluidos em temperaturas diferentes. Foram desenvolvidos muitos tipos de trocadores de calor para emprego em diversos níveis de complicação tecnológica e de porte como: usinas elétricas a vapor; usinas de processamento químico; aquecimento e condicionamento de ar em edifícios; refrigeradores domésticos; radiadores de automóveis,etc.

3 Trocadores de Calor Classificação CLASSIFICAÇÃO DOS TROCADORES DE CALOR: Os trocadores de calor são feitos em tantos tamanhos, tipos, configurações e disposições de escoamento que uma classificação, mesmo arbitrária, é necessária para o seu estudo. Na discussão seguinte serão consideradas as classificações de acordo com: o processo de transferência; a compacticidade; o tipo de construção; a disposição das correntes; o mecanismo da transferência de calor.

4 Trocadores de Calor Classificação pelo Processo de Transferência Os trocadores de calor podem ser classificados como de contato direto e de contato indireto. No tipo de contato direto, a transferência de calor ocorre entre dois fluidos imiscíveis, como um gás e um líquido, que entram em contato direto. As torres de resfriamento (figura), condensadores com nebulização para vapor de água e outros vapores, utilizando pulverizadores de água, são exemplos típicos de trocadores por contato direto. Nos trocadores de calor de contato indireto, como nos trocadores de calor casco e tubos (figura), os fluidos quente e frio estão separados por uma superfície impermeável, e recebem o nome de trocadores de calor de superfície. Não há mistura dos dois fluidos. Contato direto Contato indireto

5 Trocadores de Calor Classificação de acordo com a compacticidade A razão entre a área da superfície de transferência de calor, num dos lados do trocador de calor, e o volume pode ser empregada como medida da compacticidade do trocador de calor: Um trocador de calor com densidade de área superficial, em um dos lados, maior do que cerca de 700 m 2 /m 3 é classificado, arbitrariamente, como trocador calor compacto, independentemente de seu projeto estrutural. Por exemplo, os radiadores de automóvel, com uma densidade de área superficial da ordem de m 2 /m 3, e os trocadores de calor de cerâmica vítrea, de certos motores a turbina de gás, que têm uma densidade de área superficial da ordem de m 2 /m 3, são trocadores de calor compactos. Os pulmões humanos, com uma densidade de área da ordem de m 2 /m 3, são os trocadores de calor e de massa mais compactos. O miolo do regenerador do motor Stirling, de finíssima estrutura, tem uma densidade de área que se aproxima da densidade de área do pulmão humano.

6 Trocadores de Calor Classificação pelo tipo de construção Os trocadores de calor também podem ser classificados de acordo com as características construtivas. Por exemplo, existem trocadores tubulares, de placa, de placa aletada, de tubo aletado e regenerativos..

7 Trocadores de Calor Classificação pelo tipo de construção Trocadores de calor tubulares. Os trocadores de calor tubulares são amplamente usados e fabricados em muitos tamanhos, com muitos arranjos de escoamento e em diversos tipos. Podem operar em um extenso domínio de pressões e de temperaturas. A facilidade de fabricação e o custo relativamente baixo constituem a principal razão para seu emprego disseminado nas aplicações de engenharia.

8 Trocadores de Calor Classificação pelo tipo de construção Trocadores de calor de placa. Como o nome indica, os trocadores de calor são geralmente construídos de placas delgadas. As placas podem ser lisas ou onduladas. Já que a geometria da placa não pode suportar pressões ou diferenças de temperaturas tão altas quanto um tubo cilíndrico, são ordinariamente projetados para temperaturas ou pressões moderadas. A compacticidade nos trocadores de placa se situa entre 120 e 230 m 2 /m 3.

9 Trocadores de Calor Classificação pelo tipo de construção Trocadores de calor de placa aletada. O fator de compacticidade pode ser aumentado significativamente(até cerca de m 2 /m 3 ) com os trocadores de calor de placa aletada.

10 Trocadores de Calor Classificação pelo tipo de construção Trocadores de calor de tubo aletado. Quando se precisa de um trocador que opere em alta pressão, ou de uma superfície extensa de um lado, utilizam-se os trocadores de tubo aletado. A Fig. 8.6 ilustra duas configurações típicas, uma com tubos cilíndricos e outra com tubos chatos. Os trocadores de tubo aletado podem ser utilizados em um largo domínio de pressão do fluido nos tubos, não ultrapassando cerca de 30 atm, e operam em temperaturas que vão desde as baixas, nas aplicações criogênicas, até cerca de 870 C. A densidade máxima de compacticidade é cerca de 330 m 2 /m 3, menor que a dos trocadores de placa aletada. Os trocadores de calor de tubo aletado são empregados em turbinas de gás, em reatores nucleares, em automóveis e aeroplanos, em bombas de calor, em refrigeração, eletrônica, criogenia, em condicionadores de ar e muitas outras aplicações.

11 Trocadores de Calor Classificação pelo tipo de construção Trocadores de calor regenerativos. Os trocadores de calor regenerativos podem ser ou estáticos ou dinâmicos. O tipo estático não tem partes móveis e consiste em uma massa porosa (por exemplo, bolas, seixos, pós etc.) através da qual passam alternadamente fluidos quentes e frios. Uma válvula alternadora regula o escoamento periódico dos dois fluidos. Durante o escoamento do fluido quente, o calor é transferido do fluido quente para o miolo do trocador regenerativo. Depois, o escoamento do fluido quente é interrompido, e principia o escoamento do fluido frio. Durante a passagem do fluido frio, transfere-se calor do miolo para o fluido frio. Os regeneradores de tipo estático podem ser pouco compactos, para o uso em alta temperatura (900 a C), como nos pré aquecedores de ar, na fabricação de coque e nos tanques de fusão de vidro. Podem, porém, ser regeneradores compactos para uso em refrigeração, no motor Stirling, por exemplo.

12 Trocadores de Calor Classificação Segundo a Disposição das Correntes 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.

13 Trocadores de Calor Classificação Segundo a Disposição das Correntes Contracorrente. Os fluidos quente e frio entram em extremidades opostas do trocador de calor e fluem em direções opostas.

14 Trocadores de Calor Classificação Segundo a Disposição das Correntes Correntes cruzadas. No trocador com correntes cruzadas, em geral os dois fluidos fluem perpendicularmente um ao outro, como está na figura. Na disposição com correntes cruzadas, o escoamento pode ser misturado ou não misturado, dependendo do projeto.

15 Trocadores de Calor Classificação Segundo a Disposição das Correntes Escoamento multipasse. A configuração de escoamento com passes múltiplos é empregada frequentemente no projeto de trocadores de calor, pois a multipassagem intensifica a eficiência global, acima das eficiências individuais. É possível grande variedade de configurações das correntes com passes múltiplos. A Fig 8.10 ilustra disposições típicas. O trocador de calor da (a) tem "um passe no casco e dois passes nos tubos", e recebe o nome de trocador de calor "um-dois". A Fig. (b) mostra a configuração "dois passes no casco, quatro passes nos tubos", e a Fig. (c), a configuração "três passes no casco, seis passes no tubo".

16 Trocadores de Calor Classificação pelo Mecanismo de Transferência de Calor As possibilidades para o mecanismo de transferência de calor incluem uma combinação de quaisquer dois entre os seguintes: 1. Convecção forçada ou convecção livre monofásica; 2. Mudança de fase (ebulição ou condensação); 3. Radiação ou convecção e radiação combinadas Em todos os casos discutidos anteriormente, consideramos a convecção forçada monofásica em ambos os lados do trocador de calor. Condensadores, caldeiras e radiadores de usinas de força espaciais incluem mecanismos de condensação, de ebulição e de radiação, respectivamente, sobre uma das superfícies do trocador de calor.

17 Trocadores de Calor Trocadores de Calor com Mudança de Fase Condensadores. Os condensadores são utilizados em várias aplicações, como usinas de força a vapor de água, plantas de processamento químico e usinas nucleares elétricas de veículos espaciais. Os principais tipos incluem os condensadores de superfície, os condensadores a jato e os condensadores evaporativos. O tipo mais comum é o condensador de superfície, que tem a vantagem de o condensado ser devolvido à caldeira através do sistema de alimentação de água.

18 Trocadores de Calor Trocadores de Calor com Mudança de Fase Condensadores.

19 Trocadores de Calor Trocadores de Calor com Mudança de Fase Condensadores: A Fig mostra um corte através de um condensador de superfície, de dois passes, de uma grande turbina a vapor em uma usina de força. Uma vez que a pressão do vapor, na saída da turbina, é de somente 1,0 a 2,0 polegadas de mercúrio absolutas, a densidade do vapor é muito baixa e a vazão do fluido é extremamente grande. Para minimizar a perda de carga, na transferência do vapor da turbina para o condensador, o condensador é montado ordinariamente abaixo da turbina e ligado a ela. A água de resfriamento flui horizontalmente no interior dos tubos, enquanto o vapor flui verticalmente para baixo, entrando por uma grande abertura na parte superior, e passa transversalmente sobre os tubos. Observe que há dispositivo de aspiração do ar frio das regiões que ficam exatamente acima do centro do poço quente. Este dispositivo é importante, pois a presença de gás não condensável no vapor reduz o coeficiente de transferência de calor na condensação.

20 Trocadores de Calor Trocadores de Calor com Mudança de Fase Caldeiras. As caldeiras a vapor de água constituem uma das primitivas aplicações dos trocadores de calor. O termo gerador de vapor é muitas vezes aplicado às caldeiras nas quais a fonte de calor é uma corrente de fluido quente em vez de produtos da combustão. Uma enorme variedade de caldeiras já foi construída. Existem caldeiras em pequenas unidades, para aquecimento doméstico, até unidades gigantescas, complexas e caras, para as modernas usinas de força.

21 Trocadores de Calor Distribuição de Temperaturas: Exemplos para Passe Único Trocador de calor em contracorrente no qual a elevação da temperatura do fluido frio é igual à queda da temperatura do fluido quente. A diferença de temperatura ΔT, entre o fluido quente e o fluido frio, é constante, em todos os pontos.

22 Trocadores de Calor Distribuição de Temperaturas: Exemplos para Passe Único Fluido quente se condensa e transfere calor para o fluido frio, fazendo com que sua temperatura se eleve ao longo do percurso.

23 Trocadores de Calor Distribuição de Temperaturas: Exemplos para Passe Único Líquido frio evapora e resfria o fluido quente ao longo do seu percurso.

24 Trocadores de Calor Distribuição de Temperaturas: Exemplos para Passe Único Configuração de escoamento paralelo, na qual ambos os fluidos se deslocam na mesma direção, com o fluido frio experimentando uma elevação de temperatura e o fluido quente, uma queda de temperatura.

25 Trocadores de Calor Distribuição de Temperaturas: Exemplos para Passe Único Configuração em contracorrente na qual os fluidos se deslocam em sentidos opostos.

26 Trocadores de Calor Distribuição de Temperaturas: Exemplo para 1 Passe no Casco e 2 Passes no Tubo 1 passe no casco e 2 passes no tubo.

27 Trocadores de Calor Distribuição de Temperaturas: Exemplo para Correntes Cruzadas Correntes cruzadas com fluidos não misturados.

28 Diferença de Temperatura Média Logarítmica -DTML MÉTODO DTML PARA ANÁLISE DOS TROCADORES DE CALOR Na análise térmica dos trocadores de calor, a taxa total de transferência de calor Q através do trocador é uma quantidade de interesse primordial. Concentraremos nossa atenção nos trocadores de calor de passe único, que têm configuração de escoamento do tipo ilustrado na Fig É evidente, segundo esta figura, que a diferença de temperatura D T, entre os fluidos quente e frio, não é em geral constante; varia com a distância ao longo do trocador de calor. Na análise da transferência de calor nos trocadores de calor, é conveniente estabelecer uma diferença ΔT m, entre o fluido quente e o frio, de modo que a taxa total de transferência de calor Q entre os fluidos possa ser determinada pela seguinte expressão simples: Q =AU Δ T m

29 Diferença de Temperatura Média Logarítmica -DTML

30 Diferença de Temperatura Média Logarítmica -DTML

31 Coeficiente Global de Transferência de calor em trocadores de calor Nas aplicações de trocadores de calor, o coeficiente global de transferência de calor é, ordinariamente, baseado na superfície externa do tubo de diâmetro externo D o e interno D o, levando em conta os coeficientes de convecção (h i e h o ) a condutividade térmica do material do tubo (k) e os fatores de incrustação (F i e F o ): U 0 = 1/{(D o /D i )(1/h i )+D o F i /D i +[D o /(2k)]ln(D o /D i )+F o +1/h o } Intervalos típicos de U o : Trocadores de calor de água para óleo: 60 a 350 W/(m² C); Trocadores de gás para gás: 60 a 600 W/(m² C); Condensadores de amônia: 800 a 1400 W/(m² C); Condensadores de vapor de água: 1500a 5000W/(m² C).

32 Fator de incrustação

33 Coeficiente de convecção - correlações As tabelas resumindo as correlações para convecção forçada no escoamento no interior de dutos, para a convecção forçada no escoamento sobre corpos. Uma relação comumente utilizada para a determinação do coeficiente de convecção (ou de película) no interior dos tubos em trocadores de calor é a equação de Dittus-Boelter (válida para 0,7<Pr<160; Re>10000; L/D>60 e tubos lisos: Nu=hD/k=0,023Re 0,8 Pr n n = 0,4 no aquecimento; n = 0,3 no resfriamento Re=4m. /( D ) Outras correlações podem ser vistas nas Tabelas 7.5 e 8.6 do livro de transferência de calor do Ozisik.

34 Correção da Diferença de Temperatura Média Logarítmica - Correntes Cruzadas e Multipasse A diferença de temperatura média logarítmica (DTML ou LMTD), não se aplica à análise da transferência de calor em trocadores de correntes cruzadas e multipasse. As diferenças efetivas de temperatura foram determinadas nos escoamentos de correntes cruzadas e também multipasse, mas as expressões resultantes são muito complicadas. Por isso, nessas situações, é costume introduzir um fator de correção F de modo que a DTML simples possa ser ajustada para representar a diferença efetiva de temperatura ΔT corr para a disposição de correntes cruzada e multipasse na forma: T ( ) corr = F Tln contracorrente

35 Correção da Diferença de Temperatura Média Logarítmica - Correntes Cruzadas e Multipasse Fator de correção (um passe no casco e dois nos tubos): T = F T corr ln

36 Correção da Diferença de Temperatura Média Logarítmica - Correntes Cruzadas e Multipasse Fator de correção (dois passes no casco e quatro passes nos tubos, ou múltiplos de 4 passes nos tubos):

37 Correção da Diferença de Temperatura Média Logarítmica - Correntes Cruzadas e Multipasse Fator de correção (correntes cruzadas, um só passe e fluidos não misturados):

38 Método ε-nut para a Análise dos Trocadores de Calor 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.

39 Método ε-nut para a Análise dos Trocadores de Calor A análise pode ser significativamente simplificada se usarmos o método ε NUT ou o método da efetividade, desenvolvido originalmente por Kays e Londor. Neste método, a efetividade e é definida como: Q = Q A taxa máxima possível de transferência de calor Q max é obtida num trocador em contracorrente se a variação de temperatura do fluido que tiver o valor mínimo de mc p for igual à diferença entre as temperaturas de entrada dos fluidos quente e frio. max ( ) ( ) p h af c af Q = mc T T max min,.,.

40 Método ε-nut para a Análise dos Trocadores de Calor Relação ε-nut. Neste método, a efetividade e é definida como: Por conveniência, nas aplicações práticas, define-se um parâmetro adimensional, o númerode unidades de transferência (de calor) (NUT ou N) como sendo a relação entre a capacidade calorífica do trocador e a capacidade calorifica das correntes: N = AU m C Onde A é a área de transferência de calor, U m é o coeficiente médio de transferência de calor e C min é o valor mínimo de mc p, sendo C=mc p. min

41 Método ε-nut para a Análise dos Gráficos ε-nut Trocadores de Calor

42 Método ε-nut para a Análise dos Gráficos ε-nut Trocadores de Calor

43 Método ε-nut para a Análise dos Gráficos ε-nut Trocadores de Calor

44 Método ε-nut para a Análise dos Gráficos ε-nut Trocadores de Calor

45 Método ε-nut para a Análise dos Relações ε-nut Trocadores de Calor

46 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS PROJETO TÉRMICO CONDIÇÕES DE PROCESSO Condensadores: trocadores nos quais o vapor de processo é, total ou parcialmente, liquefeito. Normalmente o fluido frio utilizado é água de resfriamento. Resfriadores/Aquecedores: trocadores de calor em que um fluido de processo é resfriado/aquecido sem mudança de fase. Evaporadores: utilizados com a finalidade de concentrar soluções aquosas pela evaporação de parte da água da solução. Vaporizadores: finalidade principal de converter líquidos em vapores. Os refervedores se constituem na principal fonte de suprimento de calor de vaporização para a maioria das torres de destilação, e as caldeiras de recuperação. Refervedores: podem atuar como vaporizadores totais (caldeiras) ou parciais termosifão.

47 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS TEMPERATURAS DE OPERAÇÃO Determinadas pelas condições de processo. Para a água salgada e água doce costuma-se adotar como temperaturas máximas recomendáveis, 50 a 55 C (120 a 130 F), respectivamente. a escolha dos materiais a serem utilizados na construção do trocadores de calor dependerá das temperaturas de operação e das características dos fluidos.

48 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS PROPRIEDADES FÍSICAS DOS FLUIDOS Propriedades físicas mais importantes: viscosidade e condutividade térmica; Outras propriedades necessárias: calor específico e densidade; Normalmente, são considerados os valores das propriedades físicas nas temperaturas médias dos fluidos.

49 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS PERDAS DE CARGA As perdas de carga normalmente recomendadas variam conforme o tipo de fluido: Para gases e vapores costuma-se adotar valores entre 0,15 a 0,7 bar para pressões de operação intermediárias e altas. Para gases e vapores operando em vácuo, ou pressões próximas da atmosfera costuma-se adotar valores entre 0,02 a 0,15 bar. Para líquidos os valores admissíveis são mais elevados, variando entre 0,7 a 1,7 bar.

50 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS VELOCIDADES DE CIRCULAÇÃO DOS FLUIDOS Velocidades mínimas: definidas para evitar problemas de deposição de sólidos que possam ocorrer nos fluidos de trabalho. Velocidades máximas: definidas visando minimizar os problemas de erosão e corrosão. Líquidos: velocidades máximas de 3 a 4,5 m/s, e mínima de 0,9 m/s, sendo normal a utilização de 1,5 a 1,8 m/s. Gases ou vapores: velocidades recomendadas maiores, sendo normais a utilização de velocidades de 25 a 30 m/s.

51 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS LOCAÇÃO DOS FLUIDOS NO TROCADOR Levando em conta fatores econômicos e a facilidade de manutenção e limpeza, o fluido com a característica em posição mais alta na lista seguinte é geralmente, locado dentro dos tubos: água de resfriamento. fluidos corrosivos, ou fluidos que possam provocar depósitos e incrustações. o fluido menos viscoso. o fluido operando à temperatura e pressão mais elevadas. o fluido com menor vazão. vapores de água condensando; no entanto, para outros vapores, dá-se preferência à sua circulação pelo casco. se a diferença entre as temperaturas de entrada e saída de um fluido for muito elevada (maior que 150 C), este fluido usualmente circulará pelo casco, se houver mais que um passe no lado dos tubos. Este procedimento minimizará os problemas de construção, causados por expansão térmica.

52 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS LOCAÇÃO DOS FLUIDOS NO TROCADOR Levando em conta fatores econômicos e a facilidade de manutenção e limpeza, o fluido com a característica em posição mais alta na lista seguinte é geralmente, locado dentro dos tubos: água de resfriamento. fluidos corrosivos, ou fluidos que possam provocar depósitos e incrustações. o fluido menos viscoso. o fluido operando à temperatura e pressão mais elevadas. o fluido com menor vazão. vapores de água condensando; no entanto, para outros vapores, dá-se preferência à sua circulação pelo casco. se a diferença entre as temperaturas de entrada e saída de um fluido for muito elevada (maior que 150 C), este fluido usualmente circulará pelo casco, se houver mais que um passe no lado dos tubos. Este procedimento minimizará os problemas de construção, causados por expansão térmica.

53 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS COEFICIENTES TRANSFERÊNCIA DO LADO DO TUBO calculados de acordo com correlações usuais apresentadas na literatura de operações unitárias e de transferência de calor; deve ser estimado e avaliado em primeiro lugar se a resistência do lado do tubo é dominante; o cálculo inicial dos coeficientes do lado do tubo pode eliminar os procedimentos complexos para a estimativa do lado do casco.

54 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS COEFICIENTES DO LADO DO CASCO Não podem ser obtidas com exatidão, correlações apresentadas na literatura; mesmo a partir das deve ser determinado inteiramente a partir de dados experimentais (trajetória do fluido continuamente mutável devido a presença de chicanas e a variações nas áreas de escoamento); No caso da necessidade de se estimar o coeficiente do lado do casco, várias correlações são apresentadas na literatura, essas correlações são baseadas, em sua maioria, na literatura: Tinker, T. Proceedings of general discussion on heat transfer, IME-ASME (1951), pp Uma metodologia para a estimativa dos coeficientes no lado do casco está apresentada em:

55 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS DISPOSIÇÃO DOS TUBOS Não podem ser obtidas com exatidão, mesmo a partir das correlações apresentadas na literatura; Quadrangular: facilita a limpeza externa dos tubos, menor turbulência o que reduz a perda de carga, porém também reduz o coeficiente de transferência de calor; Triangular: aumenta turbulência -> maior coeficiente de transferência de calor, porém maior perda de carga e maior dificuldade de limpeza da superfície dos tubos.

56 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS ESTIMATIVA COEFICIENTES E FATOR DE ATRITO DO LADO DO CASCO Como dito anteriormente, várias correlações são apresentadas na literatura. O livro Princípios de operações unitárias (Foust et al., 2015) apresenta um exemplo de gráfico para a estimativa dos coeficientes e do fator de atrito, que pode vir a ser útil no projeto de trocadores de calor casco e tubos.

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58 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS Simulação computacional Diversos simuladores para vários tipos e configurações de trocadores de calor estão disponíveis. Existem simuladores específicos e mais genéricos. Alguns softwares de simulação de processos, como o Aspen Plus e o Aspen Hysys apresentam blocos de simulação de trocadores de calor casco e tubos...

59 Trocadores de calor de placas

60 Trocadores de calor de placas Um trocador de calor de placa gaxeta consiste de uma pilha de chapas finas espaçadas presas juntas a um quadro. Aplicações Operações rápidas; Operações com água do mar; Indústria de alimentos; Indústria de polímeros.

61 Trocadores de calor de placas Vantagens Fácil de montar e desmontar; Fácil limpeza química e mecânica; Ocupa menos da metade do espaço ocupado por um TC casco-tubos; Permite mudança de operação variando apenas o número de placas.

62 Trocadores de calor de placas Desvantagens Alta perda de carga; Pressão > 300 psi; Não opera com suspensões de partículas grandes; Má distribuição dos fluidos se operado com baixas vazões; Temperatura limitada a 250 C.

63 Especificações de trocadores de calor de placas As placas têm normalmente entre 0,5 e 3 mm de espessura e o espaço entre elas é de 1,5 a 5 mm. As áreas da superfície da placa variam de 0,03 a 1,5 m², com uma relação largura da placa: comprimento de 2,0 a 3,0 A vazão máxima do fluido é limitada a cerca de 2500 m³/ h. A disposição básica e o arranjo de fluxo para um trocador de calor de placa com junta são mostrados na próxima página.

64 Operação de um trocador de calor de placas

65 Sistema de passes

66 Sistema de passes

67 Fluido quente Sistema de passes

68 Fluido quente Sistema de passes

69 Fluido quente Sistema de passes

70 Fluido quente Sistema de passes

71 Fluido quente Sistema de passes

72 Sistema de passes Fluido frio Fluido quente

73 Sistema de passes Fluido frio Fluido quente

74 Sistema de passes Fluido frio Fluido quente

75 Sistema de passes Fluido frio Fluido quente

76 Sistema de passes Fluido frio Fluido quente Número de passes quente / frio : 1 / 1

77 Sistema de passes Fluido frio Fluido quente Número de passes quente / frio : 2 / 2

78 Sistema de passes Fluido frio Fluido quente Número de passes quente / frio : 2 / 2

79 Sistema de passes Fluido frio t 2 Fluido t 1 quente T 1 T 2 Número de passes quente / frio : 2 / 2

80 Sistema de passes t 2 Fluido quente T 1 T 2 Fluido frio t1 Número de passes quente / frio : 2 / 2

81 Sistema de passes t 2 Fluido quente T 1 T 2 Fluido frio t1 Número de passes quente / frio : 2 / 2

82 Sistema de passes t 2 Fluido quente T 1 T 2 Fluido frio t1 Número de passes quente / frio : 2 / 2

83 Sistema de passes t 2 Fluido quente T 1 T 2 Fluido frio t1 Número de passes quente / frio : 2 / 2

84 Projeto de trocadores de calor de placas Não é possível fornecer métodos de projeto exatos para trocadores de calor de placas. Normalmente, os métodos mais precisos pertencem aos fabricantes proprietários, sendo normalmente necessária a consulta prévia desses fabricantes. Informações sobre o desempenho dos vários padrões de placa utilizados geralmente não estão disponíveis. O método aproximado para dimensionar um trocador de placas leva em conta a comparação com trocadores de calor casco e tubos.

85 Projeto de trocadores de calor de placas O procedimento de projeto é semelhante ao dos trocadores de casco e tubo. 1. Calcular a taxa de transferência de calor necessária. 2. Se a especificação estiver incompleta, determinar a temperatura desconhecida do fluido ou a taxa de fluxo do fluido a partir de um balanço de energia. 3. Calcular T ln. 4. Determine o fator de correção F; 5. Calcular a diferença de temperatura média corrigida; 6. Estimar o coeficiente global de transferência de calor (ver tabela a seguir; 7. Calcular a área total requerida; 8. Calcular o número de placas = A total /A placa; 9. Decidir o arranjo e o sistema de passes (considerando perda de carga e taxa de transferência de calor).

86 Projeto de trocadores de calor de placas Coeficientes globais de transferência de calor em trocadores de placas.

87 Projeto de trocadores de calor de placas Estimativa do fator de correção (NTU= T m / T ln ) T m maior diferença de temperatura em uma das correntes de fluido, diferença entre entrada e saída da corrente.

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89 Projeto de trocadores de calor de placas 10. Calcular os coeficientes de convecção (ou coeficientes de película). A equação para transferência de calor convectiva forçada em conduítes pode ser usado para trocadores de calor de placas: Nu = hd c k = CRea Pr b μ O valor das constante C, a, b e c dependem do tipo de placa usado. Valores típicos são apresentados na equação: Nu = hd k = 0,26Re0,65 Pr 0,4 No caso dos trocadores de calor de placas: o diâmetro hidráulico (D) é considerado como o dobro o espaçamento entre as placas; Re = GD μ = ρud ; G=m/A μ s ; m = fluxo mássico por canal (kg/s); A s =área da seção (m²); u = m é a velocidade no canal (m/s); Pr = número de Prandtl, N ρan c é o c número de canais (N c =(N placas -1)/2 -> para 1 passe, corrigir se necessário para obter número inteiro). μ w μ μ w 0,14

90 Projeto de trocadores de calor de placas Obs. As ondulações nas placas aumentam a área da placa projetada e reduzem o intervalo efetivo entre as placas. Para o dimensionamento aproximado, em que o projeto real da placa não é conhecido, esse aumento pode ser negligenciado. A largura do canal é igual ao passo da placa menos a espessura da placa. Não há transferência de calor através das placas terminais, portanto, o número de placas efetivas será o número total de placas menos duas.

91 Projeto de trocadores de calor de placas 11. Calcule o coeficiente global, permitindo fatores de incrustação. 1 U = 1 + F h 1 + e 1 k + F h 2 Fatores de incrustação em trocadores de placas: Fluido 1/F (W/m2 C) F (m2 C/W) Água de processo ,00003 Água de reúso leve ,00007 Água de reúso pesada Água de refrigeração Água do mar Óleo Lubrificante Orgânicos leves Fluidos de processo

92 Projeto de trocadores de calor de placas 12. Compare a taxa de transferência de calor com a desejada para o processo. Se satisfatório. Se insatisfatório, retorne ao passo 8 e aumente ou diminua o número de placas. 13. Verifique a queda de pressão para cada fluxo (perda de carga).

93 Perdas de pressão A perda de carga (pressão) distribuída pode ser estimada a partir da equação: P d = 8fLρu2 2D Onde f é o fator de atrito, L é o comprimento do percurso do fluido (comprimento da placa*numero de passes). O fator de atrito depende das condições de projeto. Como uma primeira aproximação pode-se utilizar a seguinte correlação para fluxo turbulento: f = 0,6Re 0,3

94 Perdas de pressão A perda de carga (pressão) localizada nas entradas dos passes pode ser estimada a partir da equação: P l = 1,3ρu e 2 N p 2 Onde u e = m/(ρa e ) é a velocidade nas entradas de cada passe é o fator de atrito, A e = πd e /4 é área de entrada de cada passe d e é o diâmetro do canal de entrada década passe e N p é o número de passes. A transição do fluxo laminar para turbulento ocorrerá normalmente em um número de Reynolds de 100 a 400, dependendo do projeto da placa. Com alguns projetos, a turbulência pode ser alcançada com números muito baixos de Reynolds, o que torna os trocadores de calor de placas muito adequados para uso com fluidos viscosos. A queda de pressão devido às perdas de contração e expansão através dos orifícios nas placas deve ser adicionada à perda de atrito para se obter a perda de pressão total no trocador de calor.

95 Exemplo Investigue o uso de um trocador de calor de placa com junta. Refrigeração de metanol usando água salobra como refrigerante. Placas de titânio devem ser especificadas, para resistir à corrosão pela água salgada. Resfriar kg / h de metanol de 95 C a 40 C, carga térmica 4340 kw. Temperatura de admissão da água de refrigeração 25 C e temperatura de saída 40 C. Vazões: metanol 27,8 kg / s, água 68,9 kg / s. diferença de temperatura média logarítmica 31 C. área de placa efetiva de 0,75 m 2, comprimento efetivo de 1,5 m e largura de 0,5 m; estas são dimensões típicas da placa; espaçamento entre placas de 3 mm, diâmetro de abertura das entradas das placas de 100 mm. Propriedades: Metanol Água Densidade, kg/m³ Viscosidade, Pa*s Prandtl

96 Solução NTU, com base na diferença máxima de temperatura: NTU= T m / T ln= (95-40) /31=1.8 Tentando um arranjo de 1: 1. Da Figura 2, F = 0,96 Na Tabela 3, tomar o coeficiente global, água orgânica leve, como sendo 2000 Wm -2 0 C -1. Então, área requerida A t =Q/(UF T ln )=(4340 * 10 3 ) / (2000 * 0,96 * 31) = 72,92 m² Selecione uma área de placa efetiva de 0,75 m 2, comprimento efetivo de 1,5 m e largura de 0,5 m; estas são dimensões típicas da placa. O tamanho real da placa será maior para acomodar a área e as entradas. Número de placas = área total de transferência de calor / área efetiva de uma placa N placas =A t /A p =72,92 / 0,75 = 97 placas

97 Solução Não há necessidade de ajustar isso, 97 fornecerá um número par de canais por passagem, permitindo uma placa final. Número de canais por passagem N c =(N placas -1)/2= (97-1) / 2 = 48 Tome o espaçamento entre placas como 3 mm, um valor típico, então: área transversal do canal=largura*espaçamento = 3 * 10-3 * 0,5 = 0,0015 m 2 e diâmetro médio hidráulico D = 2*espaçamento= 2 * 3 *10-3 = 6 * 10-3 m

98 Solução Coeficientes de convecção: Metanol Velocidade do canal = u = Re = ρud μ m ρan c = = , = , = 0,51m/s Nu = hd = k 0,26Re0,65 Pr 0,4 μ 0,14 = 0, ,65 5,1 0,4 = 153,8 μ w h = 153,8 *0,19 / 6 * 10-3 = 4870 Wm -2 o C -1 Água salobra Velocidade do canal = u = Re = ρud μ m ρan c = = , = , = 0,96m / s Nu = hd = k 0,26Re0,65 Pr 0,4 μ 0,14 = 0, ,65 5,7 0,4 = 162,8 μ w h = 162,8 * 0,59 /6 * 10-3 = Wm -2 o C -1

99 Solução Coeficiente global: A partir da Tabela 1, tome os fatores de incrustação (coeficientes) como: água salobra (água do mar) 6000 Wm 2 o C -1 e metanol (orgânico leve) Wm 2 o C -1. Considerações: a espessura da placa como 0,75 mm; condutividade térmica do titânio 21 Wm -1 o C U = 1 + F h 1 + e 1 k + F h 2 1 = , , , U = 1744 Wm -2 o C -1 Q=1744*72,92*31=3893 kw muito menor que 4340 deve-se aumentar a área. A t > /(1744*31)>80m² supondo 90,75 m² N placas =A t /A p =90,75/ 0,75 = 121 placas, N c =(121-1)/2=60 canais

100 Solução Então, velocidade do canal de metanol = 0,51 * (48/60) = 0,41 m / s e Re = 6750*0.41/0,51=5426. Nu = hd k = 0, ,65 5,1 0,4 =133,5 h = 133,5 *0,19 / 6 * 10-3 = 4227,5 Wm -2 o C -1 Velocidade do canal de água de resfriamento = 0,96 * (48/60) = 0,77 m/s e Re = 6876*0,77/0,96=5501. Nu = hd k = 0, ,65 5,7 0,4 =140,8 h = 140,8 *0,59 / 6 * 10-3 = Wm -2 o C -1 1 U = 1 0, , , , Que dá um coeficiente global de 1627 Wm 2 oc-1. Q=1627*90.75*31= 4577 kw mais próximo e maior que 4340 kw O conjunto com 121 placas satisfaz os requisitos de transferência de calor.

101 Solução quedas de pressão Metanol f = 0,60 * (5400) -0,3 = 0,046 Comprimento do caminho = comprimento da placa = número de passes = 1,5 * 1 = 1,5 m. ΔP d = 8 * 0,046 * (1,5 / 6 * 10-3 ) * 750 * ((0,412) / 2) = 5799N / m 2 Perda de pressão localizada, tome o diâmetro da entrada como 100 mm, área = 0,00785 m 2. Velocidade através da entrada = (27,8 / 750) / 0,00785 = 4,72m / s, ΔP l = 1,3 * ((750 * 4,722) / 2) = N / m 2 Queda de pressão total = ,860 = 16,659 N / m 2, 0,16 bar.

102 Solução quedas de pressão Água f = 0,60 * (5501) -0,3 = 0,045 Comprimento do caminho = comprimento da placa * número de passes = 1,5 * 1 = 1,5 m. ΔP d = 8 * 0,045 * (1,5 / 6 * 10-3) * 995 * (0,772 / 2) = 26547N / m 2 Velocidade através da porta = (68,9 / 995) /0,0078 = 8,88 m / s ΔP l = 1,3 * (995 * 8,88) / 2 = 50999N / m 2 Queda de pressão total = = N / m 2, 0,78 bar Poderia aumentar o diâmetro da porta para reduzir a queda de pressão. O projeto do teste deve ser satisfatório, portanto, um trocador de calor a placas pode ser considerado para esta tarefa.

103 Material para aprofundamento dos estudos/projetos envolvendo trocadores de calor de placas /publico/Tese_Jorge_A_W_Gut.pdf MIQ14020.pdf