projeto trocador de calor

UNIP - UNIVERSIDADE PAULISTA

Curso: Engenharia Mecânica

Projeto Trocador de Calor

Grupo: 13

Professora: Simoni M. Gheno

Arthur Philip Picaccio 587127-1 EM8P-18Renan Ricardo Busquini 598334-7 EM8P-18Tainan Tofani Fernandes 260342-8 EM8P-18Rafael Dediano Clementino EM8P-18

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Sumário

1. INTRODUÇÃO......................................................................................................................................3

2. OBJETIVOS...........................................................................................................................................4

3. MATERIAIS E MÉTODOS UTILIZADOS...................................................................................................6

3.1 CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS A SEREM UTILIZADOS NO PROJETO...............................................7

3.2 MÉTODOS DE CÁLCULO...............................................................................................................8

3.2.1 MÉTODO DE KERN......................................................................................................................8

3.2.2 ROTEIRO DE CÁLCULO................................................................................................................8

4. NOMENCLATURA...........................................................................................................................11

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES..........................................................................................................14

5.1 RESULTADOS................................................................................................................................14

5.2 DISCUSSÕES.................................................................................................................................14

6. CONCLUSÕES.................................................................................................................................15

7. BIBLIOGRAFIA................................................................................................................................15

8. ANEXOS.........................................................................................................................................16

8.1 COEFICIENTE GLOBAL DE PROJETO APROXIMADO......................................................................16

8.2 FATORES DE ATRITO....................................................................................................................17

8.3 CURVA DE TRANSMISSÃO DE CALOR LADO CARCAÇA.................................................................18

8.4 CURVA TRASMISSÃO DE CALOR PARA ÁGUA INTERIOR DO TUBO...............................................19

8.5 CURVA TRANSMISSÃO DE CALOR PARA INTERIOR DO TUBO......................................................20

8.6 FATORES DE INCRUSTAÇÃO.........................................................................................................21

8.7 ANEXO A – DESENHO DO TROCADOR DE CALOR.........................................................................22

8.8 ANEXO B – MEMORIAL DE CÁLCULO...........................................................................................23

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1. INTRODUÇÃO

Trocadores de calor são dispositivos utilizados para realizar o processo da troca

térmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas.

Este processo é comum em muitas aplicações da Engenharia e em diversos tipos

construtivos, dentre os quais, um dos mais utilizados industrialmente é o de casco tubo,

que consiste de um casco com um feixe de tubos dentro dele. Um fluido corre através

dos tubos, e outro fluido corre sobre os tubos (através do casco) de maneira a transferir

calor entre os dois fluidos. O conjunto de tubos é chamado feixe de tubos, e pode ser

composto por diversos tipos de tubos: planos, longitudinalmente aletados, etc.

Para avaliar ou projetar um trocador de calor, o engenheiro tem de saber que a

várias variáveis envolvidas e afim de fazer um correto dimensionamento ele precisa

conhece-las bem.

As principais variáveis que devem ser consideradas em um projeto de trocador de

calor são:

Características dos fluídos, dentre as quais destacam-se (condutibilidade

térmica, densidade, viscosidade e calor específico).

Temperaturas de operação

Pressões de operação

Velocidade de escoamento

Perda de carga admissível

Fator de sujeira

Localização dos fluidos, no qual deve-se levar em conta algumas

considerações (tendência de incrustação, corrosão, temperatura e pressão

muito elevadas, velocidade de escoamento, viscosidade, fluidos letais e

tóxicos, fluido com diferença muito elevada entre as temperaturas terminais).

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Figura 1.1

Figura 1.2

4

Figura 1.3

2. OBJETIVOS

O trocador de calor casco tubo selecionado, terá como finalidade resfriar óleo de

lubrificação dos mancais, servo motores, válvulas de controle e válvulas de segurança

instaladas em uma turbina de pequeno, pois o superaquecimento do óleo pode causar

diversos danos e mau funcionamento da mesma, tais como:

• Ebulição do óleo

• Falta de lubrificação

• Falta de resfriamento

• Perda das propriedades físico químicas do fluido

• Vazamento por redução da viscosidade

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• Em caso de funcionamento hidráulico pode reduzir a forca de cilindros,

fadiga e ruídos na bomba hidráulica

O óleo utilizado para lubrificação é o ISO VG68, o fluido quente (óleo) tem uma

vazão de 5 kg/s a uma temperatura média de 60°C a temperatura ideal para retornar

para operação na máquina é de 45°C, porém alteramos a mesma para 47 ºC a fim de

verificar quais as variações de eficiência, vazão e troca de calor poderíamos

obter com tal modificação.

Neste processo o trocador de calor é de extrema importância devido a

necessidade do resfriamento do fluido para que este volte ao processo produtivo. O

fluido frio escolhido para o resfriamento foi a água (utilizada em 90% dos trocadores de

calor), estando esta disponível nas instalações a uma temperatura de 30°C. A máxima

temperatura que pode ela atingir na saída do trocador de calor é de 34°C (devido a

potência atual da torre de resfriamento), considerando essas necessidades de

temperaturas, será calculado um trocador de calor levando em conta as duas variações

de temperatura (entrada e saída), tanto do fluido quente quanto do fluido frio.

Para projetar um trocador de calor com máxima eficiência, menor tamanho e

custo, devido a estas necessidades, serão iniciados os estudos com um trocador de

calor casco e tubo, considerando inicialmente um passe no casco e dois passes no

tubo. Existem alternativas para aumentar a eficiência de um trocador de calor, tais

como:

Uso de aletas nos tubos;

Uso de chicanas;

Maior número de passes entre casco e tubo;

O objetivo do estudo não é calcular a parte mecânica (espessura de chapas,

flanges, parafusos, diâmetros dos flanges de entrada e saída do fluído frio, diâmetros

dos flanges de entrada e saída do fluido quente e etc), e sim determinar a vazão

mássica do fluído frio (água) para especificar a bomba e conferir se o fator de

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incrustação do resfriador desenvolvido para óleo é aceitável na vazão mássica de fluido

que está será utilizado.

3. MATERIAIS E MÉTODOS UTILIZADOS

A natureza dos fluidos que circulam num trocador de calor constitui um fator

fundamental para seu desenvolvimento, todo o projeto tem como “base” as

propriedades dos fluidos quentes e frios que passarão pelo trocador de calor com o

objetivo de trocar calor, seja para resfriar ou aquecer.

Neste estudo considera-se que o fluido quente se trata de um óleo

lubrificante/refrigerante (ISO VG 68), com viscosidade considerável para o escoamento

no interior do trocador. O fluido frio se trata de água (no estado natural), o fluido frio foi

escolhido devido as suas propriedades físicas conhecidas, abundancia e baixo custo

para o processo. Em alguns casos o fluido frio é tratado com o uso de aditivos para

aumento da capacidade de troca de calor (não é o caso deste).

3.1 CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS A SEREM UTILIZADOS NO PROJETO

Fluídos utilizados neste projeto:

Óleo ISO VG 68

Água

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A tabela 3.1 mostra os dados técnicos dos fluidos que serão utilizados neste

projeto (não considerando a variação de temperatura):

Tabela 3.1

Propriedades dos FluídosFluido Quente (A ser resfriado) -

CARCAÇA Fluido Frio (Resfriador) - TUBONome: Óleo ISO VG 68 Nome: Água

T° Entrada: 65 °C T° Entrada: 30 °CT° Saída: 47 °C T° Saída: 34 °C

Pressão operação: 22 psi Pressão Operação: 22 psiT° Média: 56 °C T° Média: 32 °C

Vazão mássica: 5 Kg/s Vazão mássica: 9,98021 Kg/sCalor específico: 0,223 BTU/lb.°F Calor específico: 1 BTU/lb.°F

Fator de incrustação: 0,00018 m².°C/W

Fator de incrustação: 0,00018 m².°C/W

Condut. Térmica: 0,0773 BTU/h.ft.°F Condut. Térmica: 0,3715 BTU/h.ft.°FViscosidade

Dinamica: 19,02 lb/h.ftViscosidade

Dinamica: 1,33 lb/h.ftPrandt (Pr): 139 h.ft².°F/BTU Prandt (Pr): 3,58 h.ft².°F/BTU

Densidade do fluído: 880 Kg/m³

Densidade do fluído: 998 Kg/m³

As unidades de medida utilizadas neste projeto são:

Sitema Inglês (Devido a literatura existente)

Sistema Internacional

3.2 MÉTODOS DE CÁLCULO

3.2.1 MÉTODO DE KERN

É um método de fácil utilização, sendo bem sucedido com modelos de

trocadores de calor casco e tubos com tolerâncias usuais, mas apresenta pouca 8

precisão, que torna-se tanto mais crítica quanto mais o escoamento do fluido situa-se

em regime laminar, o qual exige um tratamento bem mais complexo.

3.2.2 ROTEIRO DE CÁLCULO

A) Verificação de um trocador de calor:

Dados de entrada: dimensões do trocador, diâmetros, comprimento, número de

passes, arranjo dos tubos.

Especificar como entrada: T1=Tqe, T2=Tqs, t1=Tfe, vazões das correntes de fluidos e p

admissíveis.

1) Calcular a taxa de transferência de calor ou t2 por meio de balanço de energia

(calor removido é igual ao calor transportado);

Q = mq Cpq (Tqe - Tqs) = mf Cpf (Tfs - Tfe)

Obs: os calores específicos são calculados na temperatura média.

2) Calcular a diferença de temperatura média logarítmica (Tml ) contracorrente;

3) Calcular a correção da diferença de temperatura para o arranjo considerado –

F (Gráfico Kern);

4) Selecionar qual fluido irá nos tubos e qual no casco;

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5) Cálculo do hi - fluido dos tubos;

5.1) Calcular Ret;

5.2) Calcular Nu das correlações;

5.3) Aplicar, se for o caso, a correção com a viscosidade da parede

(/p)0,14

6) Cálculo do he - fluido casco;

6.1) Calcular Re;

6.2) Obter jh;

6.3) Calcular he;

7) Calcular o Ulimpo;

8) Calcular o Uprojeto por: Q=AUp.Tml;

9) Calcular o critério de desempenho, Rf total através de Up e Ul

10) Calcular as perdas de carga no casco e nos tubos e comparar com a

admissível.

B) Cálculo e projeto de um trocador de calor:

Dadas as condições de processo: T1,T2,t1, t2 vazões, perdas de carga

admissíveis e fatores de incrustação disponíveis de acordo com os fluidos utilizados.

O comprimento do tubo, o diâmetro externo do tubo e o passo serão

especificados pela prática de projetos (ou pela norma TEMA)

10

1) Calcular a taxa de transferência de calor ou t2 por meio de balanço de energia;

Q = mq Cpq (Tqe - Tqs) = mf Cpf (Tfs - Tfe)

Obs: os calores específicos são calculados na temperatura média;

2) Calcular a diferença de temperatura média logarítmica (Tml ) contracorrente

3) Supor um número de passagens nos tubos (Npt)

4) Calcular a correção da diferença de temperatura para o arranjo considerado -

F

C) Tentativa 1 (utilizada no memorial de cálculo):

5) Estimar o valor de Up, o coeficiente global de projeto - incluindo os depósitos

por incrustações (escolher sempre um valor superior)

6) Cálculo da área A=Q/Up.Tml e o número de tubos

7) Selecione um trocador (Di) para o número mais próximo de tubos de acordo

com a contagem de tubos

8) Corrija o valor de Up para a área correspondente ao número real de tubos

que podem estar contidos no casco.

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4. NOMENCLATURA

Nomenclatura utilizada no memorial de cálculos

Q: Calor

m: Massa

c: Calor específico

∆t: Diferença de temperatura

MLDT: Média logarítmica de temperatura

F: Fator de correção (F) encontrado

MLDTc: Média logarítmica de temperatura corrigida

Ø Ic: Diâmetro interno do casco (m)

C': Espaço livre entre os tubos (m)

B: Espaçamento entre as chicanas (m)

Lc: Comprimento do casco (m)

Pt: Passo entre os tubos (m)

Lt: Comprimento dos tubos

Ø Int: Diâmetro interno dos tubos (m)

ØExt: Diâmetro externo dos tubos (m)

Esp

Tub: Espessura da parede do tubo (m)

Área: Área de troca térmica

Área c: Área de troca térmica + coeficiente de segurança

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Nt: Número de tubos

Ud: Coeficiente global corrigido

a't: Área de escoamento de um tubo ((π*d^2)/4)

n: Número de passes pelos tubos

at: Área de escoamento

As: Área de escoamento

Gt: Vazão mássica por unidade de área (Kg/s*m²)

W: Vazão mássica do fluido do lado da carcaça (kg/s)

Deq: Diâmetro equivalente p/ transmissão de calor (ft²)

Gq: Vazão Mássica por unidade de área (lb/h*ft²)

𝜇𝑞: Viscosidade dinâmica (lb/ft*h)

Req: Número de Reynalds

Vf: Velocidade de escoamento do fluido frio (m/s)

𝜌: Densidade do fluido (kg/m³)

K: Condutividade térmica

Nut: Número de Nusselt

Re: Número de Reynalds

Prt: Número de Prandt

Jh: Encontrado no gráfico fig. 28 Kern

hi: Coeficiente genérico para transferência de calor

ho: Coeficiente de película

Rd: Fator de incrustação13

UC: Coeficiente de transmissão de calor de polimento

U'd: Coeficiente global corrigido

f: Fator de atrito de Fanning

𝜃𝑒: O termo (μ/μw)^0,14

S: Densidade relativa adimensional

∆𝑃𝑓: Perda de carga do fluído

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES

5.1 RESULTADOS

Tabela 5.1

Tabela – Resultados obtidosVazão mássica do fluído quente [kg/s]: 5,0000Vazão mássica do fluído frio [kg/s]: 9,9802

14

∆T Fluído quente [°C]: 18,0000∆T Fluído frio [°C]: 4,0000Calor a ser trocado [W]: 166909,0049Área de troca térmica [m²]: 17,8656Número de tubos: 122,3439Velocidade do fluído frio [m/s]: 0,8391Coeficiente global de troca térmica [BTU/h.ft².°F]: 40,0771Fator de incrustação: 0,0224Perda de carga [PSI]: 3,9841

5.2 DISCUSSÕES

Com base nos resultados obtidos na tabela 5.1, é necessário comparar com algum trocador de calor conhecido.

A vazão mássica do fluído frio é maior do que a vazão mássica do fluído a ser resfriado (usual).

É necessário conhecer as características dos fluídos e comparar com os resultados encontrados nos cálculos.

A perda de carga encontrada é baixa (considerando a maioria dos trocadores de calor), é necessário conferir os fatores de troca térmica.

O número de tubos encontrado no projeto é relativamente compatível com o utilizado nas indústrias.

A área de troca térmica é compatível com utilizado.

6. CONCLUSÕES

Diante dos resultados obtidos na tabela 5.1 e no memorial de cálculos, conclui-

se que o trocador de calor calculado está corretamente dimensionado para a

aplicação.

A vazão mássica do fluído frio (água) foi encontrada e sua respectiva perda de

carga para dimensionamento da bomba.

O fator de incrustação encontrado (cálculo) é aceitável para o projeto e as

dimensões utilizadas no trocador de calor são compatíveis com a utilizada nas

indústrias.15

7. BIBLIOGRAFIA

Incropera, F.P., Dewitt, D.P., 1998, Fundamentos de transferência de calor e

massa. LTC Editora, 4º edição, Rio de Janeiro, SP.

Kern, D.Q., 1958, Mathematical development of tube loading in horizontal

condensers, J. Am. Chem., 4:157 – 160.

Moran, M. J., Shapiro, H. N., 2004, Fundamentals of engineering

thermodynamics. 5º Ed., John Wiley e Sons, U.S.A.

Perry´s Chemical Engineers Handbook., Robert H. Perry, Don W. Green., 1999,

Mc Graw Hill

Everaldo César da Costa Araújo., Trocadores de calor, Universidade Federal de

São Carlos, EdUFSCar.

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8. ANEXOS

8.1 COEFICIENTE GLOBAL DE PROJETO APROXIMADO

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8.2 FATORES DE ATRITO

18

8.3 CURVA DE TRANSMISSÃO DE CALOR LADO CARCAÇA

19

8.4 CURVA TRASMISSÃO DE CALOR PARA ÁGUA INTERIOR DO TUBO

20

8.5 CURVA TRANSMISSÃO DE CALOR PARA INTERIOR DO TUBO

21

8.6 FATORES DE INCRUSTAÇÃO

22

8.7 ANEXO A – DESENHO DO TROCADOR DE CALOR

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8.8 ANEXO B – MEMORIAL DE CÁLCULO

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