7.5. Exemplo: Projeto térmico de um condensador

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1 7.5. Exemplo: Projeo érmico de um condensador Dimensionar um rocador de calor para condensar 0.000lbm/h de propano com emperaura inicial de 150 F e pressão de sauração de 300 psia, endo como fluido frio água aquecendo de 70 F aé 10 F, e pressão de operação igual a 90 psia. A perda de carga permiida é de psi para o propano e 15 psi para a água. Solução: Fluido Vazão lbm T1 ( F) ( F) ( ) h T o P op ( psia) P( psi) Propano ? 300 Água?

2 7.5. Localização dos fluidos água de resfriameno no lado dos ubos propano no lado do casco Temperauras médias A pressão de sauração do propano (psa 300 psia) corresponde a uma emperaura de sauração (Tsa T 138 F). Temperauras médias: Tmc 144 o F T o m 95 F

3 7.5.4 Propriedades érmicas dos fluidos Fluido Propano Água Temperaura média ( o F) Massa específica 6,08 lbm 3 f Calor específico 1,0 0,44 BTU o lbm. F Conduividade érmica 0,359 BTU o h. f. F Viscosidade dinâmica 1,56 lbm f. h

4 Temperaura de sauração 138 ( o F) Massa específica do líquido 34,4 lbm 3 f Calor específico do líquido 0,71 BTU o lbm. F Conduividade érmica do líquido 0,066 BTU o h. f. F Viscosidade dinâmica do líquido 0,19 lbm f. h Massa específica do vapor,04 lbm 3 f Calor específico do vapor 0,44 BTU o lbm. F Conduividade érmica do vapor 0,014 BTU o h. f. F Viscosidade dinâmica do vapor 0,0 lbm f. h Calor laene 115 ( BTU ) lbm Faor de incrusação 0,00 0,003 o h. f. F BTU

5 7.5.5 Balanço de energia Q & Q& s + Q& l m& c. Cpc. T + c m& c.λ Q & ( ) ,44 Q& BTU h Razão enre calor sensível e calor laene Q& s ,046 Q& l 4,6% O calor sensível represena uma parcela pequena do calor oal (<5%), porano, o dimensionameno pode ser feio considerando apenas roca de calor laene, mas considerando o valor do calor oal.

6 Vazão de água: Q& água m&. Cp. T Q& m& lbm água Cp. T 1, ( 70) h Temperaura da água no inicio da condensação Q& ' s T T , 8 m& Cp o F Diferença média de emperaura MLDT T ln T T T ( ,8) ( ) a b o 39, 4 a b ,8 ln F

7 Faor de correção da MLDT ' T T 1 117,8 70 T c1 Tc P 0,7 R 0 ' T T T T1 117,8 70 c1 1 Logo: 1 o F e Tm 39,4 F

8 7.5.8 Temperaura e Pressão de projeo Casco: T o projeo F p projeo 300 1, 360 psi Tubos: T o projeo p projeo 90 1, 108 psi F

9 7.5.9 Caracerísicas do projeo mecânico T T + T mc m o m 116, 5 F T o Tmc Tm ,5 1,5 F < 50 o F Permie uso de espelhos fixos. Trocador horizonal Tipo consruivo AEL L

10 Tipo Consruivo A E L

11 Bocais a) Bocal 1 carcaça (vapor) V p ,1 16,1 195, ρ,04 máx vapor f s 4. m& c Dbc 1 0,133 f 1, 6in π. ρ. V π,04 195, 3600 máx Adoaremos D bc1 3"

12 b) Bocal carcaça (líquido) V , 36 máx ρ líquido 34,4 f s 4. m& c Dbc 0,149 f 1, 78in π. ρ. V π 34,4 9, máx Adoaremos D bc 3" c) Bocal 1 e ubos V máx 10 f s 4. m& Db 0,165 f 1, 98in π. ρ. V π 6, máx Adoaremos D b "

13 Esimaiva do número de ubos Coeficiene global de roca érmica esimado: U 80 BTU h. f. o F Escolha do ubo: espessura: p projeo 360 Q& A U. T psi m ,4 ensão admissível do laão (64/36) na T σ 410 kgf 6000psi cm A espessura é esimada por: p. d 360.0,75 e + C + 0,04 0, 09. σ , f 00 o in F

14 Empregaremos ubos BWG 1, com de 3 " 4 (Obs: A espessura da parede dos ubos deves ser verificada no projeo mecânico, principalmene quano à rigidez e a resisência à pressão exerna) Espessura da parede 0,109 Diâmero exerno 0,75 Diâmero inerno 0,53 Maerial laão Arranjo riangular com passo de 1 Número de rajeos nos ubos, N 4 Comprimeno dos ubos 16 f Espessura dos espelhos (esimada)

15 Número de ubos: Diâmero exerno do ubo Arranjo n A n π. de. ( L e) 763, 0,75 π ,1 Conagem de ubos no espelho n 58 e Di 19 1 " 4

16 7.5.1 Vazão mássica nos ubos ( ) 0,53 π. di π. a 0.3in 4 4 0, f G m& n a N , lbm h. f

17 Coeficiene de ransferência de calor por convecção Re G. di µ ,53 1, escoameno urbuleno Pr µ. Cp k Equação de Dius-Boeler: 0,8 Nu 0,03Re Pr 0,4 1,56 1 0,359 4,35 ( ) 0,8( ) 0,4 4,35 84, 40 0, h i Nu di k 84,4 0, ,53 683,45BTU h. f. o F

18 Perda de carga nos ubos Nos bocais Bocal com diâmero nominal de, Sch 40 de,38 in e di,067 in. V m& b 9, 4 b 6,08 π π. D ρ f (,067) 3600 s p ( 9,4) ρ. Vb 1,8 6,08. b 1,8 1, 03 gc 3, 144 psi

19 Na conração, expansão e reorno G V f, 35 ρ s 6, ρ. V 1,6 4 6,08. (,35 ) pcer 1,6 N 0, 3psi g 3, Perda linear Faor de ario de Churchill Maerial do ubo laão rugosidade c E f A,457 ln 7 Re 0, ,7. E di 16,457 ln , , , A 3,

20 B Re , f 8 Re , ( A + B) ( 3, ,95 10 ) + 1 1, ,00355 Correção devido ao escoameno não isoérmico T pi T + U Rd i + 1 hi de di ( T T ) c 1 0,75 Tpi , ,45 0,53 o ( ) F Viscosidade da água na emperaura da parede: µ 1,355lbm h. f

21 Faor de correção: µ α µ 0,14 Coeficiene de ario não isoérmico: 1,56 1,355 0,14 1,0 f ' α. f 1,0 0, ,0036 Perda de carga linear nos ubos: p l 8. f '. L di ρ. V g c N ,08,35 p l 8 0, , 61psi 0,53 3, 144

22 Faor de correção para levar em cona a formação de depósio de ¾ BWG 1 Tabela Nc 1,6 Liga não ferrosa Perda de carga oal nos ubos: p oal p b + p cer + p f Nc p oal 1,03 + 0,3 + 1,61 1,6 3, 9 psi Geomeria do casco Diâmero do feixe de ubos Número de ubos na fileira cenral: n c 1,1 n 1, ,67 18

23 Diâmero do feixe de ubos: ( n 1 ) s + de ( 18 1) 1+ 0,75 17, in D f c 75 Diâmero inerno do casco: D i 19, 5 in Número de chicanas H a) Core da chicana: 46% (arbirado) Di b) Espaçameno enre chicanas adjacenes: Di l 1 l Di 19, 5in

24 c) Comprimeno de ubo enre o espelho e a chicana de enrada Fig 5.17 Com Di 19,5in p 360 psi Bocal com diâmero nominal de 3, Sch 40 de 3,5 in e di 3,068 in. l1 f 7, 9in l1 mín Dbc1 + l1 f l1 mín 3,068 + adoado: 7,9 l1 mín 10, 97 in l1 19in

25 d) Comprimeno de ubo enre o espelho e a chicana de saída Fig 5.17 Com Di 19,5in p 360 psi Bocal com diâmero nominal de 3, Sch 40 de 3,5 in e di 3,068 in. l f 7, 9in l mín Dbc + l l mín 3,068 + adoado: l 19in f 7,9 l mín 10, 97 in

26 e) Número de chicanas N b ( L l l ) ( ) l 19, Coeficiene de película no casco a) Fluxo de condensado no casco: G " m & L. n c ,84lbm h. f Re δ 4 G µ 4 30,84 0,19 649,34

27 b) Temperaura da película: Tc + Tp T f 15 o F c) Propriedades do propano líquido na emperaura da película: Temperaura da película 15 lbm o ( F ) Massa específica do líquido 34,4 Conduividade érmica do líquido 0,066 BTU h. f. 3 f o F Viscosidade dinâmica do líquido 0, lbm f. h Viscosidade cinemáica do líquido 0,00645 f h

28 d) Coeficiene de película na condensação: h L ( ) 3 ν g l k l 1,514 Reδ h L 1,514 Re 1 δ 3 k ( ) 1 ν g 3 l l h L 1,514 Re 1 3 δ k ( ν g) l l 1 3 1,514 ( 649,34) 1 3 0,066 1 ( 0,00645) ( 3, 3600 ) 3 h BTU L 49,51 h. f. o F

29 Coeficiene global de roca érmica U de hi. di + Rdi. de di + 1 de ln k de di + Rde + 1 he Conduividade érmica do laão na T p 11 o F k BTU laão 58 h. f. o F U 0,75 683,45 0,53 + 0,003 0,75 0, ,75 ln ,75 0,53 + 0, ,51 U 80,05 BTU h. f. o F

30 Verificação da área de roca de érmica a) Área necessária: Q& A 76,7 f U. Tm 80,05 39,4 b) Área disponível: ' n. π. de. L c) Diferença de área: A d 0,75 A d 58 π ,64 f 1 1 Erro A d A A , ,7 3,97%

31 Perda de carga no casco Di s 1 1,33 Com e Y6,8 Np0, l de

32 Perda de carga no casco a) Fluxo de massa: s de 1,33 Di l 1 Fig 5.13 Np 0,0 Y 6,8 Fp 0,8 + 1 Np Di s 1 0,8 + 0, 19,5 1 0,60 C b 0,97 C a C b s de s 1 0,75 0,97 0,75 0,3

33 S c Ca. l. D f 0,3 19,5 17,75 110,48 in 0,77 f S Sc Fp 0,77 0,6 cf 1,8 f G m & S ,8 c cf cf 1565lbm h. f b) Número de Reynolds Re G cf. de µ líq , 0,

34 c) Coeficiene de ario no casco: f c 0,5 f c 0,5 Re 4434

35 c) Coeficiene de ario no casco: s de Re 1, f c Fig ,5 d) Faor Cx, Tabela 5.10 Cx 1, 154 e) Massa específica média: ρ. ρ. ρ 34,4,04 34,4 +,04 líq vap médio ρlíq + ρvap 3,85lbm f 3

36 f) Perda de carga para o escoameno aravés do casco: P c 4 f c G cf ρ c Cx 1 H Di Di s N ' B 1 + Y s Di µ µ e c 0,14 P c ( 1565) 19,5 6,8 1 0, ,5 1,154( 1 0,46) ( 8 + 1) 1+ 3, ,5 0,19 3, 0,14 ( 3600) 144 P c 0, 14 psi

37 f) Perda de carga no bocal de enrada (vapor): Bocal com diâmero nominal de 3, Sch 40 de 3,5 in e di 3,068 in. V m& c bc 53, 05 bc π ρ vap,04 µ πd 4 D bc ρ ( 3,068) 3600 s 4 0,009091,04,067 0,00 f µ em cenipoise 0, Fig 5. ρ em lbm,04 3 f Z 75 f D bc em polegadas,067,04 3, 75 Pbc 1 ρvap. g. Z 1, , psi

38 µ D bc ρ 0,00 Fig 5. V bc 53,05 Z 75 f µ D bc ρ 0,0011 V bc 3,16 Z 0, 8 f

39 g) Perda de carga no bocal de saída (líquido): Bocal com diâmero nominal de 3, Sch 40 de 3,5 in e di 3,068 in. V m& c bc 3, 16 bc π ρ vap 34,4 πd 4 µ D bc ρ f ( 3,068) 3600 s 4 0, ,4,067 0,0011 µ em cenipoise 0,07851 em lbm 34,4 f ρ 3 D bc em polegadas,067 Fig 5. Z 0, 8 f 34,4 3, 0,8 Pbc 1 ρvap. g. Z 0, , psi

40 h) Perda de carga oal no casco P c oal P c + P + P bc1 bc P c oal 0,14 + 1,06 + 0,07 P oal c 1, 7 psi