Guia de Ensaio de Laboratório de es de Calor de Módulo Didáctico H101 Instituto Superior Técnico Descrição da Bancada de Teste...1 A de tubos concêntricos...2 B de placas (soldado)...3 C de corpo e feixe tubular...3 Descrição do ensaio experimental...4 Descrição dos cálculos a efectuar...4 Folha de registo de resultados...5 Anexo Propriedades termo-físicas da água....6 João Luís Toste de Azevedo Abril 2005 0
Objectivos O ensaio de laboratório de permutadores de calor pretende ilustrar os tipos de permutadores principais usados com líquidos. O módulo didáctico dispõe de três permutadores todos com a mesma área de permuta e que podem funcionar em alternativa em equicorrente ou contracorrente. A figura na página anterior apresenta uma vista da instalação onde se podem identificar os permutadores: A de tubos concêntricos B de placas C de corpo e feixe tubular Os dois primeiros permutadores são representativos de permutadores reais apesar das reduzidas dimensões enquanto o modelo do permutador de corpo e feixe tubular não possa ser considerado representativo devido ao pequeno número de tubos e ao facto do escoamento não ser perpendicular aos mesmos. O permutador C permite no entanto visualizar o principio construtivo de permutadores de corpo e feixe tubular. O ensaio de laboratório tem como objectivos principais: - Determinar a eficiência de dois permutadores diferentes (A e C) ou (B e C). - Comparar o coeficiente global de transferência de calor (A ou B) com modelos Descrição da Bancada de Teste A bancada de testes é constituída por dois circuitos de água dispondo de ligações rápidas para a saída e retorno, conforme ilustrado no esquema apresentado na figura 1. Figura 1 Esquema dos circuitos de água O circuito de água fria é alimentado a partir da rede e o retorno é ligado ao esgoto. Antes de passar no permutador a água passa por um caudalimetro de turbina com contador de 1
impulsos (fora de serviço) e depois de passar no permutador por um rotrâmetro que permite ler o valor do caudal no topo do flutuador. O circuito de água é fechado contendo uma bomba de recirculação e dois caudalimetros tal como para a água fria. A saída digital do caudalimetro de turbina permite a leitura do valor do caudal através de um computador. A graduação do rotâmetro é de 4 a 50 g/s. O aquecimento da água no é efectuado por uma resistência eléctrica que dispõe de um interruptor próprio. A temperatura do é controldada por um sistema (PID) com base na temperatura seleccionada sendo o valor medido observado no indicador respectivo. A temperatura da água de saída e de retorno de ambas as correntes é medida por termopares do tipo K imersos nos elementos de ligação do circuito no interior da bancada de teste. Para cada posição existem dois termopares, sendo um deles ligado a um conversor que indica no painel o valor da temperatura, enquanto o outro é ligado a um sistema de aquisição que permite efectuar a leitura e registrá-la num computador. No caso do permutador A de tubos concêntricos existe ainda duas posições de medição correspondentes à ligação entre os conjuntos de tubos concêntricos. De seguida apresenta-se uma descrição dos permutadores. Em qualquer dos casos as ligações podem ser efectuadas de forma ao escoamento ser equicorrente ou contracorrente. O escoamento no permutador de corpo e feixe tubular para situações reais é bem mais complexo do que no modelo onde se aproxima de equicorrente ou contracorrente. A de tubos concêntricos Este permutador é constituído por dois conjuntos de tubos concêntricos ligados em série para ambas as correntes. A figura 2 apresenta um esquema com as ligações no caso de operar em equicorrente. Figura 2 Esquema do permutador de tubos concêntricos O tubo interior é de aço inoxidável e o exterior de acrilico de modo a visualizar o escoamento exterior. As dimensões das tubagens são as seguintes: L= 318 mm Comprimento dos tubos em contacto térmico D ii = 10 mm Diâmetro interior do tubo interior D= 12 mm Diâmetro exterior do tubo interior (Usado para definir a área de transferência) D ie = 22 mm Diâmetro interior do tubo exterior D ee = 28 mm Diâmetro exterior do tubo exterior 2
B de placas (soldado) Este permutador é constituído por duas placas térmicas e duas placas terminais, formando assim um canal central para o fluído e dois canais na periferia para o fluído. A figura 3 apresenta um esquema do escoamento em equicorrente no permutador e das placas. Figura 3 Esquema do escoamento em equicorrente no permutador e placas A espessura total do permutador é de 20,5 mm incluíndo placas planas nas extremidaes. A partir deste valor e do peso em seco de 0,776 kg e da massa específica do aço inoxidável estimaram-se valores para a espessura do canal e das placas de transferência de calor. A partir do desenho esquemático apresentado pelo fabricante (ver Figura 3) observou-se também o ângulo entre as nervuras. Todos os valores estimados são indicados tal como os valores indicados pelo fabricante. L= 189 mm Comprimento total das placas L= 130 mm* Comprimento das placas entre os colectores de entrada/saída b= 3 mm* Espessura do canal de passagem do fluído e= 1 mm* Espessura das placas de transferência de calor. l = 72 mm Largura total das placas. β= 120º * Ângulo entre as nervuras da placa *Valores estimados a partir dos dados do fabricante mencionados acima que devem ser C de corpo e feixe tubular Este permutador é constituído por um corpo cilindrico de vidro Pyrex (Silicato de Boro) contendo dois deflectores fixos por um tirante montado no centro do corpo. Existem sete tubos que se encontram montados na periferia do corpo, cinco deles atravessando os deflectores e três na zona da janela. A figura 4 ilustra o permutador montado no caso de escoamentode contra-corrente. Devido ao reduzido número de tubos e grande altura da janela não se obtém um escoamento perpendicular aos tubos. Grande parte do escoamento passa no centro com pouca mistura e por isso este modelo de permutador de corpo e feixe tubular é apenas ilustrativo deste tipo de equipamentos. As dimensões principais são: N =7 Número de tubos. D= 4.76 mm Diâmetro exterior dos tubos D i = 3.56 mm Diâmetro interior dos tubos D S = 75 mm Diâmetro interior do corpo D Se = 95 mm Diâmetro exterior do corpo Figura 4 Modelo de permutador L= 205 mm Comprimento total do permutador de corpo e feixe tubular L b = 65 mm Distância entre deflectores (Valor estimado) 3
Descrição do ensaio experimental O trabalho experimental a efectuar consiste em efectuar ensaios a dois permutadores diferentes variando as condições de acordo com o plano fornecido pelo docente. Cada grupo efectua dois conjuntos de medições, partilhando o último conjunto de resultados do grupo anterior e o primeiro do grupo seguinte, no caso de estes grupos existirem ou permanecem mais tempo para realizar todos os ensaios. A unidade encontra-se em operação no início dos ensaios e os alunos devem seleccionar as condições de operação pretendidas: da água no Caudal de água e de água fria ligado e arranjo em equicorrente ou contracorrente Para alterar as ligações dos permutadores os alunos devem reduzir os caudais e desligar o interruptor da resistência de aquecimento antes de desligar as uniões e voltar a repor as condições de operação. Depois de estabelecer as condições de operação os alunos devem iniciar o programa HDL no computador e seleccionar os ficheiros de configuração e armazenamento de dados correspondente ao seu grupo. Estes ficheiros são seleccionados na opção de Configuração do Sistema onde se chega depois de dar dois OK. Existem ficheiros pré criados com os nomes Grupos.pah e Grupo##.dat. Depois de seleccionados os ficheiros o programa vai para o menu principal onde se deve seleccionar recolha de dados (Collect Data) e aceitar rescrever o ficheiro que diz respeito ao seu grupo. A visualização de todos os valores pode ser efectuada em qualquer das opções sendo recomendado o Multiple Graph Display onde se pode observar a evolução de todos os valores (O sinal de caudal está fora de serviço). Para iniciar a recolha de dados usar o botão Start Recording e o End Recording para terminar. Quando os valores estão estáveis os alunos devem registar por escrito os valores que podem depois validar com os armazenados no computador. Deve-se fazer notar que os termopares colocados para cada ponto são independentes pelo que os valores podem não coincidir. O computador utiliza um desvio que foi fixo pelo docente com base no ensaio a, quando todos os valores são uniformes. O caudal no computador é calculado com o número de impulsos por unidade de tempo, verificando-se que existe uma boa correlação com o valor observado no rotâmetro. Para cada ensaio para além das condições de operação devem-se registar os valores das temperaturas de entrada e saída, não esquecendo no caso do permutador de tubos concêntricos de registar as temperaturas intermédias. Descrição dos cálculos a efectuar Para qualquer dos permutadores e ensaio fazer os seguintes cálculos: - Balanço de energia à água e fria e determinação de diferença. - Identificar qual o calor trocado entre os fluídos, tendo em conta perdas. - Calcular diferença média de temperatura de acordo com o arranjo. - Calcular o valor da capacidade de transferência de calor (AU). - Calcular a eficiência do permutador a partir de r e NTU e comparar com medição. - Calcular o coeficiente global de transferência a partir do AU experimental. No caso do permutador A repetir todos os pontos anteriores para cada tubo. No caso do permutador A ou B: - Calcular o coeficiente global de transferência a partir dos caudais e geometria. - Comparar os valores obtidos entre os cálculos e as medições. No relatório com um máximo de 15 páginas deve ser apresentado uma tabela resumo dos valores calculados a partir das medições (valores experimentais) e os valores calculados para o coeficiente global de transferência a partir de correlações apropriadas (Perm. A ou B). O relatório deve conter comentários ao efeito da variação das condições de operação e uma comparação qualitativa entre os resultados obtidos para diferentes tipos de permutadores. 4
Folha de registo de resultados Grupo Data e hora: Número Nome dos alunos 5
Anexo Propriedades termo-físicas da água. Para a realização do relatório se quiser pode utilizar polinómios para o cálculo aproximado das propriedades da água entre 0 e 80ºC em função da temperatura (em ºC) de acordo com as fórmulas seguintes: k (W/mK) = 0,5454 + 3,015x10-3 T - 2,112 x10-5 T 2 + 0,4028 x10-7 T 3 ρ (kg/m 3 ) = [ 0,99638 + 0, 78368 x10-3 T - 3,57749 x10-5 T 2 + 4,28524 x10-7 T 3 - - 2,50679 x10-9 T 4 + 0,67649 x10-11 T 5-6,85521x10-15 T 6 ] x 10 3 µ (kg/ms) = [1,75210-49,2957x10-3 T + 68,6136x10-5 T 2-36,4213x10-7 T 3 ] x10-3 c p (kj/kgk) = [4,16798 + 2,282x10-3 T - 3,2725x10-5 T 2 + 1,399 x10-7 T 3 ] x 10 3 De forma abreviada em tabela: Prop = A + B T + C T 2 + D T 3 + E T 4 + F T 5 + G T 6 Propriedade A B*10 3 C*10 5 D*10 7 E*10 9 F*10 11 G*10 15 K (W/mK) 0,5454 3,015-2,112 0,4028 ρ (kg/m 3 )*10-3 0,99638 0, 78368-3,57749 4,28524-2,50679 0,67649-6,85521 µ (kg/ms)*10 3 1,75210-49,2957 68,6136-36,4213 - - - c p (J/kgK)* 10-3 4,16798 2,282-3,2725 1,399 - - - Ter em atenção os factores multiplicativos dos coeficientes e das propriedades. 6