OPERAÇÕES UNITÁRIAS II AULA 3: TROCADORES DE CALOR. DIMENSIONAMENTO DE TROCADOR BITUBULAR E TUBO E CARCAÇA.

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1 OPERAÇÕES UNIÁRIAS II AULA 3: ROCADORES DE CALOR DIMENSIONAMENO DE ROCADOR BIUBULAR E UBO E CARCAÇA Proa Dra Milena Martelli osi

2 ROCADORES DE CALOR Euipamentos extensamente empregados na indústria de alimentos Ex: REFRIGERAÇÃO CONGELAMENO ESERILIZAÇÃO ÉRMICA SECAGEM EVAPORAÇÃO Função: implementar a troca térmica entre 2 (ou mais) luidos ue estão à temperaturas dierentes - Variação de entalpia: latente ocorre mudança de estado ísico sensível alteração apenas das entrada e saída

3 ROCADORES DE CALOR Escolha depende: CUSO GLOBAL REQUISIOS DO PROCESSO CARACERÍSICAS DO FLUIDO QUENE/FRIO DESEMPENHO ÉRMICO PERDA DE CARGA FACILIDADE DE MANUENÇÃO E LIMPEZA ESPAÇO OCUPADO, - ipos mais comuns na indústria de alimentos: - C duplo tubo - C de superície raspada - C de casco e tubos - C de placas - Com contato - Sem contato

4 ipos de rocadores ) Com contato Injeção ou inusão de vapor Filme em ueda livre o C Vapor potável, (bolhas) - produto 50 o C 965 kpa 450 kpa Ex: cocção de vegetais, desodorização

5 2) Sem contato rocador de ubo Duplo (ou concêntricos) de correntes paralelas rocador de ubo Duplo contracorrente

6 rocador de tubo triplo C tubo duplo - São economicamente competitivos apenas em serviços cuja área de troca térmica reuerida seja peuena (menor ue 20m 2 ) n excessivo de grampos - Limpeza: mecânica é realizada a partir da desmontagem das curvas de conexão dos grampos e, com uso de escovas de aço (ineiciente para espaço anular) Para produtos alimentícios, recomendado ue seja alocado no tubo interno C tubo triplo - Fluido de serviço (resriamento ou auecimento) circula internamente e espaço anular mais externo, enuanto luido alimentício circula no espaço anular intermediário

7 rocador de superície raspada - Similares ao C duplo tubo, dierencial está no eixo rotativo no centro do tubo interno contém lâminas raspadoras ue promovem a mistura do luido no tubo - Recomendados para alimentos líuidos de média ou alta viscosidade como xaropes, chocolates, molhos, polpas de rutas ou carne processada

8 rocador de tubo e carcaça ou casco e tubos ou eixe tubular - Um eixe de tubos (pode ter mais de mil tubos), preso em disco conhecido como espelho, é envolto em um corpo cilíndrico, chamado de casco - Dentro do casco: uso de chicanas (placas ue orçam o luido a mudar de direção) aumenta a turbulência (troca térmica)

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10 rocador casco e tubos com um passe no casco e um passe no tubo; correntes cruzadas-contrárias com um passe no casco e dois passes nos tubos com dois passes no casco e uatro passes nos tubos

11 Epelhos ixos ao casco ou podem deslizar junto a um cabeçote lutuante (pode ser removido do casco para limpeza e manutenção) $ $$$$$ Feixe de tubos em U: tem apenas um espelho: tubos azem uma curva de 80 º na extremidade oposta (tubos podem ter ranhuras para aumentar turbulência) $$$ Passes: cada passagem do luido pelo trocador ½: um passe no casco e 2 passes nos tubos

12 Qual a área de troca térmica em um trocador de calor de casco e tubos?? A A n n 2 r D L L Principais dimensões de um trocador de casco e tubos, em ue : D c é o diâmetro interno do casco D e é o diâmetro externo de um tubo s é o passo entre os centros dos tubos s c : passo entre as chicanas transversais A c : área para escoamento na janela da chicana A c2 área para escoamento cruzando o banco de tubos entre chicanas vizinhas A j : área da janela da chicana n : número total de tubos n i : número de tubos ue atravessam a janela e e

13 CÁLCULO DE H ESCOAMENO INERNO - Euações apresentadas na aula passada para escoamento laminar e turbulento no interior de tubos podem ser aplicadas, tendo dimensão característica d=d i (diâmetro interno do tubo) - Para trocador de casco e tubos: na determinação do valor de Reynolds, deve-se ter atenção ao calcular a velocidade média no interior de um tubo, já ue a vazão de alimentação ( ) é dividida entre todos os tubos do passe v Q n n Número de tubos por passe p Q D 4 2 i Área transversal interna do tubo

14 CÁLCULO DE H ESCOAMENO INERNO Para trocador de casco e tubos: E os escoamento no interior do casco?? Externo aos tubos Na determinação do valor de Reynolds, a velocidade média do luido no exterior dos tubos é calculada pela seguinte razão: v Q A gm A Q A c c2 A c : área para escoamento na janela da chicana A c2 área para escoamento cruzando o banco de tubos entre chicanas vizinhas Média entre a área disponível para escoamento horizontal, paralelo as tubos, na janela de uma chicana (A c ) e a área disponível para escoamento vertical, cruzando o banco de tubos, entre duas chicanas vizinhas (A c2 )

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16 EQUAÇÃO BÁSICA DE PROJEO DE UM ROCADOR DE CALOR

17 BALANÇO GLOBAL DE ENERGIA axa de entrada energiaaxa de saída energia

18 BALANÇO GLOBAL DE ENERGIA Em trocadores tubulares, as áreas de troca térmica nos lados uente (A ) e rio (A ) são dierentes: () Balanço de energia no lado do trocador onde escoa o luido rio (2) Balanço de energia no lado do trocador onde escoa o luido uente (3) Determinar o coeiciente global de troca térmica (2) Balanço de energia no lado do trocador onde escoa o luido uente (3) Determinar o coeiciente global de troca térmica

19 BALANÇO GLOBAL DE ENERGIA () Balanço de energia no lado do trocador onde escoa o luido rio m c ( ) C ( p, s, e, s, e c p : calor especíico a pressão constante (Jkg - K - ) m: vazão mássica do luido (kgs - ) C p : calor especíico a pressão constante (Jkg - K - ) ) Se houver mudança de estado: m H m H e s H e e H s : entalpias especíicas do luido rio na entrada e saída do trocador, respectivamente

20 BALANÇO GLOBAL DE ENERGIA ) ( ) (,,,, e s e s p C c m c p : calor especíico a pressão constante (Jkg - K - ) m: vazão mássica do luido (kgs - ) C p : calor especíico a pressão constante (Jkg - K - ) (2) Balanço de energia no lado do trocador onde escoa o luido uente m U A (3) Determinar o coeiciente global de troca térmica M A h A k e A h A U ln

21 FAOR DE INCRUSAÇÃO

22 O COEFICIENE GLOBAL DE RANSFERÊNCIA DE CALOR SUJO : A S - U (limpo) contempla as resistências térmicas dos luidos uente e rio, e também da parede metálica PROBLEMA: em um trocador operando, podem aparecer mais duas resistências à troca de calor depósditos de materiais nas paredes do trocador (Incrustação), ue diicultam o transporte de energia!! U S A h A Convecção interior R inc A k M e A ln Condução cilindro R inc A h A Convecção exterior Fator de incrustação R inc [Km 2 W - ]

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24 O COEFICIENE GLOBAL DE RANSFERÊNCIA DE CALOR - Valores representativos para coeicientes globais de transerência de calor:

25 POENCIAL ÉRMICO MÉDIO U A m Média logarítmica da dierença de emperatura (MLD) Depende do tipo de escoamento

26 emperatura ipos de arranjo de escoamento ) Paralelo: os dois luidos entram do mesmo lado do euipamento e escoam paralelamente em direção à saída, transerindo calor ao longo do caminho e d s = luido uente =luido rio e = entrada do trocador s = saída do trocador s e e e distância da entrada do, x trocador 2 s s é unção de x s s sempre: do ponto de vista da transerência de calor este arranjo é desvantajoso; pode ser empregado no caso de produtos termolábeis para evitar superauecimento

27 emperatura 2) Contra-corrente: os dois luidos entram em lados opostos do euipamento e escoam em contra-corrente e e s s d s 2 s e dx e s pode ser > s : mais eiciente do ponto de vista da transerência de calor ; x ( médio ) contra-corrente > ( médio ) paralelo : a mesma uantidade de calor () pode ser transerida em uma menor área de transerência no arranjo contracorrente em comparação com o paralelo

28 3) Quando há mudança de ase: e d s e dx s d s e e s x x Condensação Evaporação COMO DEFINIR UMA MÉDIA PARA O POENCIAL ÉRMICO???

29 Para arranjo em paralelo e d d U( m c p d ) da m () c p d Isolar em unção de d e d x s s m c c p m p : Vazão mássica do luido uente, kg/h : Calor especíico do luido uente, kcal/kg o C : Vazão mássica do luido rio, kg/h : Calor especíico do luido rio, kcal/kg o C d d( m d c Subtraindo as duas euações (d d ): ) d m c d d m c m c (2) Substituindo d da e () na e (2):

30 c m c m da U d ) ( ) ( A da c m c m U d 0 ) ( ) ( 2 c m c m A U ln 2 c m s e ) ( c m e s ) ( Substituindo d da e () na e (2): Integrar de a 2 e de 0 a A, sendo = ::

31 A U e s s e ) ( ) ( ln ] [ ) ( ) ( ln A U A U s s e e = = 2 2 ln ) ( A U m U A Média logarítmica da dierença de emperatura (MLD)

32 Arranjo em contra-corrente: ( 2 ) U A 2 ln A euação é a mesma, o ue muda é a deinição de e 2 e s s e x ml ( 2 ) ln 2 Média Logarítmica das Dierenças de emperatura nas Extremidades e 2 do rocador Usamos: Extremidade Entrada do luido uente Extremidade 2 Saída do luido uente Mas a deinição das extremidades é arbitrária, não inlui no resultado ml em inglês é LMD

33 ESCOAMENO INERNO (EMPERAURA DO FLUIDO) *peril linear de temperatura *peril logarítmico de temperatura Fluxo de calor constante emperatura superície constante

34 EXEMPLO : FLUXO DE CALOR CONSANE Um sistema para auecer água de 20 o C até 60 o C envolve a passagem de água através de um tubo de parede espessa, com diâmetros interno e externo de 20 e 40 mm, respectivamente A superície externa do tubo encontra-se isolada e o auecimento elétrico no interior da parede proporciona um luxo de geração uniorme =0 6 W/m 3 Para uma vazão mássica de água igual a 0, kg/s, ual deve ser o comprimento do tubo para ue a de saída desejada seja alcançada? 2 Se a da superície interna do tubo em sua saída or S =70 o C, ual será o coeiciente de transerência de calor por convecção local na saída do tubo? c p 478J / kg K

35 EXEMPLO : FLUXO DE CALOR CONSANE h L =?? Sendo:

36 EXEMPLO 2: Uma empresa tem disponível um trocador de calor de duplo tubo contracorrente de 5 m de comprimento Neste sistema, o luido uente utilizado é água a 97 o C com vazão de 2,0 m 3 /h (no ânulo do trocador) O diâmetro externo do tubo onde escoa o alimento (tubo interno) é de 2,5 cm e a espessura da parede de 3,0 mm Veriiue se este euipamento possui dimensões corretas para o auecimento de óleo de soja (vazão de 0,2 kgs - ) de 30 a 80 o C Adote como coeiciente global de troca térmica U= 600 WK - m -2 para o trocador limpo Os atores de incrustação são conhecidos: - Para o óleo: R inc = 5 x0-4 Km 2 W - - Para a água: R inc = 2 x0-4 Km 2 W -

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39 Próxima aula POENCIAL ÉRMICO MÉDIO U A m Média logarítmica da dierença de emperatura (MLD) Depende do tipo de escoamento Casco e tubo com mais de um passe??? Paralelo ou Contracorrente???