analise de trocador de calor sólido-gás

7/26/2019 Analise de Trocador de Calor Slido-Gs

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Anlise da capacidade de um trocador de calor de

contato direto para melhoria da eficincia

energtica na ventilao

C. Gonalves, F. A. Reichert, M. C. R. Garcia.

Instituto Federal Sul-Riograndense IFSUL Campus Sapucaia do Sul

[email protected], [email protected],

[email protected]

Resumo: O estudo teve como objetivo encontrar parmetros de vazo de

ar ideal para que, sem perder atributos importantes de qualidade do polmero,

chegasse ao parmetro que sustente um melhor aproveitamento energtico do

motor do ventilador.

Com base em dados obtidos a partir de medies in loco e testes de

variao de temperatura na sada, foi possvel encontrar o limite mximo dessa

temperatura. Trazendo no trabalho os clculos que sustentam os dados atuais

e com base nos valores encontrados nas medies, foi possvel refazer os

clculos e encontrar a vazo mnima para a mxima temperatura de sada.

Palavras-Chave: Trocador de calor; resfriamento; slido-gs;

Instituto Federal Sul-RiograndenseIFSULCampus Sapucaia do SulEngenharia

Mecnica

Instituto Federal Sul-RiograndenseIFSULCampus Sapucaia do SulEngenharia

Mecnica

Professor Doutor do Instituto Federal Sul-RiograndenseIFSULCampus Sapucaia

do Sul


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Abstract: the study has as objective find parameters of ideal flow rate of the air,

in order to, without lost importants quality atributes of the polimer, reach a

parameter who supports a better energy use of the ventilator engine.

Based on data obtained from measurements on the spot and tests of variations

of the output temperature, was possible to find a maximium limit of this

temperature. Bringing on the article the calculations that support the current data

and based on the values finded in the measurements, was possible to remake

the calculations and find the minimum flow rate of the maximium output

temperature.

Key words: Heat Exchanger; cooling; solid-gas.


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Introduo

O processo de troca de calor entre dois fludos ou materiais que esto a

diferentes temperaturas ocorre em muitas aplicaes de engenharia. O

equipamento utilizado para implementar essa troca conhecido como trocador

de calor, e suas aplicaes especficas podem ser encontradas no aquecimento

ou condicionamento de ambientes, produo de potncia, na recuperao de

calor em processos e no processamento qumico. (HEWITT, SHIRES e BOOT,

1994)

A escolha ou construo de um trocador de calor determinada pelo

objetivo da troca, fludos envolvidos, entre outros fatores. Parmetros de

desempenho so importantes para avaliar a eficcia do equipamento. (HEWITT,

SHIRES e BOOT, 1994)

So equipamentos em que dois fluidos a diferentes temperaturas trocam

calor, podendo ou no ocorrer mudana de fase dos fluidos. Essa troca trmica

empregada para atender s exigncias de um dado processo. (HEWITT,

SHIRES e BOOT, 1994)

Dentre os vrios tipos de trocadores de calor empregados em processos

industriais, o mais usado o tipo casco e tubos. Este trocador consiste,

resumidamente, de um casco cilndrico que contm tubos em seu interior. Um

dos fluidos de trabalho escoa pelo casco e o outro fluido, pelos feixes de tubos.

A troca trmica realizada atravs das paredes dos tubos. Os componentes

principais deste equipamento so o casco, o feixe de tubos e os cabeotes de

entrada e retorno. (HEWITT, SHIRES e BOOT, 1994)

O projeto de um casco e tubo compreende duas etapas distintas: o projeto

trmico e o projeto mecnico. No projeto trmico, o trocador dimensionado e a

troca de calor e perda de carga, quantificadas. Nesta etapa, os principais

parmetros de construo como o tipo e dimetro do casco, espessura da

parede, dimetro externo e comprimento dos tubos e o espaamento entre as

chicanas so determinados. (HEWITT, SHIRES e BOOT, 1994)


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Neste trabalho, ser abordado um tipo deferente de trocador de calor, pois

no temos dois fludos. O material que desejamos extrair calor uma massa

polimrica, em forma de filamentos, em movimento contracorrente ao fludo

refrigerador, o ar. Esse tipo de trocador conhecido como Trocador de Calor de

Contato Direto.

Trocadores de calor de contato direto so um tipo de trocador casco e

tubo em que no h a presena de uma parede de separao. Segundo Hewitt,

Shires e Boot (1994) estes trocadores podem ser dos seguintes tipos:

GsLquido;

Lquido Imissvellquido;

Slidolquido ou slidogs;

Conforme citado anteriormente, a troca de calor realizada atravs de

escoamento contracorrente, que um tipo de escoamento onde os fluidos

quente e frio entram no trocador de calor por extremidades opostas e

escoam em direes opostas. Isto faz com que ocorram variaes nas

temperaturas, conforme grfico abaixo: (ENGEL e GHAJAR, 2011)

Grfico 1:Variao das temperaturas dos fluidos em um trocador de calor contracorrente

de tubo duplo.

O trocador de calor estudado composto por uma unidade de troca de

calor, isolada internamente com l de rocha, por uma unidade de ventilao e

por um radiador para realizar o resfriamento do ar. Este radiador resfriado

internamente por lquido que recebido de uma central de refrigerao, no

ocorrendo alteraes na temperatura do lquido.


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A forma do trocador de calor podem ser visualizada na imagem abaixo:

Imagem 1: Vista isomtrica do equipamento Imagem 2: Vista do equipamento com a unidade

de troca de calor aberta

O trocador do estudo faz o resfriamento de muitos monofilamento

polimrico a base de PET que ficam alinhados lateralmente. Estes so utilizados

para a produo de vassouras. O resfriamento dos monofilamentos durante o

processo tem como objetivo fazer com que o passe para a prxima etapa do

processo em temperatura ideal a no ganhar memria (empenar) nos rolos

tracionares. Esse empenamento inutiliza o monofilamento para seu uso, tanto na

parte funcional como no processo, pois impede o acondicionamento do fio no

coletor e promove enrolamento em componentes da linha, gerando inclusive

paradas, bem como o produto final no mantem o atributo funcional esperado.

O objetivo desse trabalho estudar o equipamento atual e, com base nos

dados levantados durante o perodo de medies, poder entender onde esto as

oportunidades de melhorar a eficincia energtica do sistema de ventilao do

equipamento, podendo sugerir alteraes e melhorias no processo baseados em

clculos de transferncia de calor.

O presente estudo tambm se motiva pelo fato do equipamento ter sido

construdo com base no know-how da empresa, sem conhecer exatamente a

eficincia e como pode ser melhor aproveitado, tanto em relao ao produto final

quanto eficincia energtica do motor da ventilao.


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Materiais e Mtodos

As medies de temperaturas do polmero e vazo do ar foram feitas in

loco, com o trocador de calor em funcionamento.

Para cada parmetro foram feitas 3 medies e considerado a mdia

aritmtica delas.

Foram utilizados para as medies as seguintes ferramentas:

Anemmetro para medio da vazo de ar;

Termmetro Digital Infravermelho com Mira Laser (-50 a 380 C).

As medies de vazo e velocidade do polmero foram calculadas com

base nas informaes de vazo fornecidas pelo equipamento.

Resultados

Para projetar ou prever o desempenho do trocador de calor essencial

relacionar a taxa total de transferncia de calor a grandezas como: as

temperaturas de entrada e sada dos fludos, o coeficiente global de transfernciade calor e a rea superficial total disponvel para a transferncia de calor. Duas

dessas relaes podem ser obtidas de imediato, com a aplicao de balanos

globais de energia nos fluidos quente e frio, como mostrado na figura abaixo.

(INCROPERA, BERGMAN, et al., 2014)

Imagem 3: Balanos de energia globais para os fluidos quente e frio de um trocador de

calor com dois fluidos.


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Em particular, se q a taxa total de transferncia de calor entre os fluidos

quente e frio, a transferncia de calor entre o trocador e a vizinhana

desprezvel, assim como as mudanas nas energias potencial e cintica, e so

admitidos calores especficos constantes, possvel aplicar a equao para

processos contnuos em regime estacionrio na forma reduzida: (INCROPERA,

BERGMAN, et al., 2014)

= . ; . ; . ;

= . ; . ; . ;

Sendo a vazo mssica e o calor especfico a presso constante.

Os subscritos q e f se referem aos fluidos quente e frio, enquanto ent e saidesignam as condies do fluido na entrada e na sada. As temperaturas que

aparecem nas expresses se referem as temperaturas mdias dos fluidos nas

localizaes indicadas. Estas equaes so independentes da configurao do

escoamento e do tipo do trocador de calor. (INCROPERA, BERGMAN, et al.,

2014)

Outra equao til pode ser obtida relacionando-se a taxa de

transferncia de calor total q diferena de temperaturas entre os fludos quente

e frio. Essa expresso seria uma extenso da lei do resfriamento de Newton,

com o coeficiente global de transferncia de calor U usado no lugar de um nico

coeficiente de transferncia de calor h. Entretanto, como T varia com a posio

no trocador de calor, torna-se necessrio se trabalhar com uma equao para a

taxa na forma: (INCROPERA, BERGMAN, et al., 2014)

= . .

Na qual uma mdia logartmica apropriada de diferenas de

temperaturas. Esta equao pode ser usada nas equaes descritas

anteriormente para efetuar uma anlise de trocadores de calor. Contudo a forma

especfica de deve ser estabelecida, conforme tipo de trocador de calor.

(INCROPERA, BERGMAN, et al., 2014)


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A diferena de temperaturas mdia logartmica pode ser definida pela

equao abaixo:

=

ln

Os valores de e so definidos conforme o arranjo do trocador de

calor. No caso de trocador contra corrente as diferenas de temperaturas nas

extremidades devem ser definidas como: (INCROPERA, BERGMAN, et al.,

2014)

= ; ;

= ; ;

A partir destes equaes possvel realizar a anlise do trocador de calor.

Os dados obtidos na anlise pratica mostram que a temperatura mdia de

entrada do ar frio de 15C, sendo esta temperatura fixa para diferentes

variaes de temperatura ambiente e fluxo de ar.

A temperatura de entrada do fio extrudado na condio de processo atual

de 50C e aps a passagem pelo trocador de calor o mesmo sai a 18. A

velocidade de extruso de 0,77 m/s. Como a densidade do PET em torno de

1395 Kg/m e a rea da seco de 2,94510m, possvel obter a vazo

mssica do fio, que de 0,03158 Kg/s. O calor especfico do PET de de 1170

J/Kg.K.

Realizando o balano de energia, pode se obter a taxa de transferncia

de calor atual do trocador de calor, conforme equao abaixo:

= . ; . (;. ;) = 0,03158

.1170

.. 50 18

= 1182,35


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Como a velocidade de sada do ar em mdia 15 m/s, e sua densidade

de 1,225 Kg/m e a rea de sada do ar de 0,031725 m, pode se obter a vazo

mssica do ar, que de 0,583 Kg/s. O calor especfico do ar a presso constante

e na temperatura de 15C de 1007 J/Kg.K. Utilizando a equao abaixo

possvel obter a temperatura de sada do ar:

= . ;. (;. ;) 1182,35 = 0,583

.1007

.. (; 15)

; = 17,01

Com base nos dados das temperaturas envolvidas, pode-se obter a

diferena de temperatura mdia logartmica do trocador de calor, que a

seguinte:

=

ln

=18155017,01

ln1815

50 17,01

= 12,5

A rea de troca de calor do equipamento formada por 300 fios com

0,5 mm, que ficam encostados lateralmente, ento devido a isto a rea foi

aproximada por uma placa de 150mm de largura. O comprimento de troca de

calor de 1500 mm, ento a partir disto se obteve a rea de troca de calor que

de 0,4524 m. Com estes dados possvel obter o coeficiente de transferncia

de calor do equipamento:

=

. =

1182,35 0,4524 . 12,5

= 209,08

.

Como a magnitude das variaes de temperaturas no trocador de calor

ser baixa, o coeficiente de transferncia de calor encontrado ser consideradoum parmetro fixo para realizao dos estimativas de novos parmetros.

A estimativa realizada ser baseada em um parmetro de qualidade j

conhecido do processo. Este parmetro a temperatura do polmero extrudado

na sada do trocador de calor. Nas condies atuais o polmero sai do trocador

de calor com uma temperatura em torno de 18C, porm medies realizadas

durante condies ambientais especficas, demonstraram que o material

extrudado pode sair do trocador de calor com uma temperatura mxima de 22C,

que ainda assim garantir a qualidade do produto.


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Desta forma, uma estimativa de reduo de gasto energtico pode ser

realizada. Esta reduo energtica pode ser obtida atravs da diminuio da

RPM do ventilador, caso seja possvel reduzira velocidade do ar passando pelo

trocador de calor.

Podemos estimar a reduo mxima da velocidade do ar, primeiramente

atravs do clculo da taxa de transferncia requerida, caso a temperatura de

sada do polmero seja de 22C. Utilizando os mesmos dados dos clculos

anteriores obtemos o seguinte resultado

= . ; . (;. ;) = 0,03158

.1170

.. 50

= 1034,56

Aplicando estes novos valores na equao abaixo, podemos obter a nova

diferena de temperatura mdia logartmica. Conforme colocao anterior, o

coeficiente de transferncia de calor foi considerado o mesmo.

=

. 209,08

.

=1034,56

0,4524 . = 10,938

A partir desta nova diferena de temperatura mdia logartmica, pode-se

encontrar a nova temperatura de sada do ar:

=

ln

10,938 = 15 50 ;

ln 15 50 ;

; = 33,87

Com esta nova temperatura de sada do ar, pode-se encontrar a nova

vazo mssica do ar:

=

; . (;. ;) =

1034,56

1007 . . 33,87 15

= 0,0545

A partir dos dados da nova vazo e dos dados da densidade e rea de

sada do ar, podemos encontrar a nova velocidade de sada do ar.


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=

. =

0,0545

1,225

.0,031725 = 1,40

Conforme resultado encontrado, com uma diminuio de 15 m/s para 1,4m/s da velocidade do ar, pode-se continuar atingindo um timo parmetro de

qualidade, porm com uma grande reduo no gasto energtico, j que ocorrer

uma grande reduo na velocidade do ar.

Concluso

Com base nos estudos em campo foi possvel encontrar o limite detemperatura superior que o polmero pode sair do trocador de calor sem perder

seus atributos de qualidade motivo pelo qual o trocador de calor existe na linha.

Esse parmetro norteou os clculos para se encontrar a vazo do fludo

refrigerante (ar).

Os resultados mostram que a vazo de ar pode ser reduzida em 90%, o

que levaria a uma reduo da rotao do ventilador e consequentemente do

consumo energtico.

O estudo no pode ser comprovado na prtica pois o trocador de calor

no possui regulagem de velocidade no motor e para tanto alguns pontos

precisam ser observados com ateno, pois uma rotao muito baixa pode

prejudicar a refrigerao do prprio motor e leva-lo a queima, nesse caso seria

necessrio uma refrigerao forada e como o objetivo a economia energtica,

este acrscimo precisa ser levado em considerao.

O presente trabalho conclui que com base nos dados do fludo e massa

que ser retirada calor, possvel calcular os parmetros necessrios para um

melhor aproveitamento energtico.


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Referncias

BERGMAN, T. et al. Fundamentos da Transferncia de Calor e de Massa. 7

Edio. ed. Rio de Janeiro: Livros Tcnicos e Cientficos Editora Ltda., 2014.

ENGEL, Y. A.; GHAJAR, A. J. Transferncia de Calor e Massa - Uma

abordagem Prtica. 4 Edio. ed. [S.l.]: AMGH Editora Ltda., 2011.

HEWITT, G. F.; SHIRES, G. L.; BOOT, T. R. Process Heat Transfer. [S.l.]: CRC,

1994.

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