memorial de cálculo - trocador de calor

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ESCOLA DE ENGENHARIA DE PIRACICABAFundao Municipal de Ensino de Piracicaba Curso de Engenharia Mecnica Turma 1 Noturno

200080100 Csar Henrique Durer 200080124 Rodolfo da Silva B. Granelli 200080134 Jocilene Cristina Durer 200080261 Valter Bonifcio Costa

PROJETO TROCADOR DE CALOR CASCO E TUBO

Piracicaba 24/11/2011

ESCOLA DE ENGENHARIA DE PIRACICABAFundao Municipal de Ensino de Piracicaba Curso de Engenharia Mecnica Turma 1 Noturno

200080100 200080124 200080134 200080261

Csar Henrique Durer Rodolfo da Silva B. Granelli Jocilene Cristina Durer Valter Bonifcio Costa

PROJETO TROCADOR DE CALOR CASCO E TUBO

Projeto de um trocador de calor casco-tubo apresentado para avaliao da Disciplina Sistemas Trmicos do 8 semestre do Curso de Engenharia de Mecnica de da Fundao sob

Municipal

Ensino

Piracicaba

orientao do Prof. Dr. Paulo Figueiredo.

Piracicaba 24/11/2011

Sumrio1.0 Objetivo ............................................................................................................. 4 2.0 Condies e necessidade do projeto ................................................................ 4 3.0 Memorial de clculo .......................................................................................... 4 3.1.1 Mdia logartmica da diferena de temperatura ............................................. 4 3.1.2 Clculo do coeficiente de correo para trocadores de calor com correntes cruzadas e passes mltiplos ................................................................................... 5 3.1.3 Transferncia de calor e rea de troca ........................................................... 5 3.1.4 Clculo do nmero de tubos........................................................................... 5 3.1.5 Clculo do dimetro do feixe de tubos ........................................................... 6 3.1.6 Dimensionamento das chicanas ..................................................................... 6 3.1.7 Clculo do coeficiente de pelcula do lado do tubo ........................................ 8 3.1.8 Perda de carga no tubo .................................................................................. 9 3.1.9 Clculo do coeficiente de pelcula do lado do casco .................................... 10 3.1.10 Clculo da perda de carga no lado do casco ............................................. 12 3.1.11 Clculo do U global .................................................................................... 14

1.0 ObjetivoO objetivo deste projeto de realizar o dimensionamento termo-hidrulico de um trocador de calor casco e tubo, de modo que atinja as condies necessrias de projeto.

2.0 Condies e necessidade do projetoAs condies do projeto so as seguintes: Em uma instalao petrolfera, existe a necessidade de resfriar de 90C para 60C, um fluxo de 50 ton/h de gua desmineiralizada, presso atmosfera. Para tanto dever ser utilizada gua do mar que, para efeito de projeto, dever ser admitida a 18C, e sua temperatura no dever exceder 40C. Tal trocador de calor dever ser do tipo casco e tubo, com uma concepo otimizada economicamente e que seja a mais compacta possvel face s limitaes de espao de instalao.

3.0 Memorial de clculoPara a execuo dos clculos foi utilizado um programa elaborado pelos alunos, chamado Projeto trocador de calor casco e tubo.xls. Tal programa foi elaborado a fim de facilitar os clculos e automatiz-los. Dados de entrada Temperatura de entrada Temperatura de sada Fluxo de massa Calor especfico gua desmineiralizada 90,0 C 40,0 C 13,89 kg/s 4,178 kJ/kgK gua salgada 18,0 C 40,0 C 33,0 kg/s 3,997 kj/kgK

3.1.1 Mdia logartmica da diferena de temperatura

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3.1.2 Clculo do coeficiente de correo para trocadores de calor com correntes cruzadas e passes mltiplosTemperatura Entrada Sada gua salgada 18,0 C 40,0 C gua desmineiralizada 90,0 C 40,0 C

Fludo no casco: gua salgada Fludo no tubo: gua desmineiralizada

3.1.3 Transferncia de calor e rea de troca

Foi adotado U igual a 1014,793 W/mK.

3.1.4 Clculo do nmero de tubosDimetro externo do tubo igual a e comprimento adotado do trocador de calor igual a 3m.

O trocador ser de 4 passes, dessa forma, o nmero de tubos por passe ser de:

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3.1.5 Clculo do dimetro do feixe de tubosFoi calculado primeiramente o nmero de tubos na fileira central do feixe, para uma disposio triangular tem-se:

Aps o clculo do nmero de tubos na fileira central do feixe, adota-se o valor de s, que o passe, de acordo com a tabela abaixo: Dimetro externo do tubo (pol) 1 1 >1 Triangular 1,25 1,33 1,25 1,31 1,25 Passo Dimetro externo Quadrado 1,33 1,25 1,31 1,25

Dessa forma, foi adotado s igual a 0,0318m. O dimetro do feixe de tubos foi calculado pela frmula abaixo:

3.1.6 Dimensionamento das chicanasPrimeiramente dimensiona-se o corte da chicana, que 25% do valor do dimetro do casco, ou seja, 0,22 m. Aps isso, calcula-se o espaamento interno, cujo menor valor permitido pelo TEMA 1/5 do dimetro do casco ou 2 polegadas, adotando-se sempre o maior dos dois valores. Para este caso, foi calculado o valor de 0,1778 m. Foram adotados bocais com classe de presso de 150#. Atravs de figuras, foram obtidos os fatores de distncia mnima entre o espelho e a primeira chicana que, para este caso ser igual a 5,8 polegadas ou 0,15 m e tambm os fatores de

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distncia mnima entre o espelho e a ltima chicana, que igual a 11,9 polegadas, ou seja, 0,30 m. O dimetro das conexes dos bocais ser de 8 polegadas, conforme tabela abaixo:

Dimetro interno do casco (pol) Menor que 12 12 17 19 21 23 29 31 37 Acima de 39

Dimetro das conexes (pol) 2 3 4 6 8 10

Dessa forma, a distncia mnima entre o espelho e a chicana de entrada ser de:

Da mesma maneira, a distncia mnima entre o espelho e a chicana de sada ser de:

A quantidade de chicana foi dimensionada pela frmula abaixo, de modo que sero 14 chicanas.

O dimetro interno do casco 0,889 m, adotado com base na tabela abaixo:Df Dimetro interno do casco - Di Espelho fixo e tubos em U Cabeote flutuante com caixa de

Cabeote flutuante Pull

Cabeote flutuante anel bipartido

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gaxeta externa

through 6,42 8,49 9,78 11,65 13,65 15,65 17,65 19,40 23,40 27,40 31,30 35,30 38,25 44,20 47,20 50,10 56,00 8,02 10,04 11,30 13,11 15,06 17,00 18,96 20,66 24,56 28,45 32,33 36,25 39,14 45,04 47,93 50,83 56,72

10,02 12,09 13,38 15,25 17,25 19,25 21,25 23,00 27,00 31,00 35,00 39,00 42,00 48,00 51,00 54,00 60,00

9,62 11,67 12,95 14,81 16,79 18,78 20,75 22,50 26,46 30,43 34,40 38,37 41,34 47,30 50,27 53,24 59,21

8,32 10,59 11,88 13,75 15,75 17,75 19,75 21,50 25,50 29,50 33,50 37,50 40,50 46,50 49,50 52,50 58,50

A espessura do espelho foi calculada pela frmula abaixo:

3.1.7 Clculo do coeficiente de pelcula do lado do tuboPrimeiro foi determinado o tipo de escoamento, recomenda-se que o mesmo seja turbulento, para que haja maior troca trmica. Para uma velocidade de 0,49 m/s, viscosidade dinmica de 528x10 -6 N.s/m e peso especfico igual a 1.000 kg/m, calculou-se o nmero de Reynolds, de forma que se menor que 2.000, o escoamento laminar, se estiver entre 2.000 e 4.000, o escoamento misto e por ltimo, se o mesmo for maior que 4.000, o escoamento turbulento.

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Aps o clculo para se definir o tipo de escoamento, determina-se o nmero de Prandtl atravs de tabela, sendo o mesmo igual a 4,968. Atravs de tabelas tambm, determina-se a condutividade trmica do fluido no interior dos tubos, a qual 0,619 W/mK. Com esses valores estabelecidos, pode-se calcular o nmero de Nusselt e a coeficiente de pelcula do lado do tubo.

3.1.8 Perda de carga no tuboA perda de carga devido o atrito foi calculada conforme as frmulas abaixo:

O clculo da perda de carga no cabeote foi realizado com base na frmula abaixo:

Aps o clculo da perda de cargo no cabeote, foi calculada a perda de carga nos bocais, conforme pode ser visto:

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Finalmente, foi calculada a perda de carga total:

3.1.9 Clculo do coeficiente de pelcula do lado do casco

Aps o clculo da rea, foi calculado o nmero de Reynolds para o casco, para se determinar o tipo de escoamento. Atravs de tabelas, foi determinada a viscosidade dinmica, que igual a 0,0008164 N.s/m. Conforme pode ser visto abaixo, o escoamento turbulento.

O clculo do coeficiente de pelcula ideal feito pelas frmulas abaixo, onde a1, a2, a3 e a4 so constantes das equaes, determinadas atravs de tabela:

Para a determinao do coeficiente de pelcula do lado do casco, h a necessidade de se calcular uma sria de fatores de correo, conforme pode ser visto abaixo:

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O fator Jc leva em considerao que o escoamento no casco no apenas cruzado, mas tambm ocorre atravs de janelas, permitindo o clculo de um valor global mdio vlido para todo o trocador.

Jl o fator de correo para o efeito dos vazamentos casco-chicana e tubos-chicana na transferncia de calor.

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Jb o fator de correo para o efeito dos desvios do escoamento cruzado principal. O valor de Cb foi adotado, e vale 1,25 para escoamento turbulento. Foi adotado somente um par de tiras selantes, de forma que N ss seja igual a 1. Em clculos usuais admite-se que Np igual a zero. O Jr, fator de correo para gradiente adverso de temperatura em escoamento laminar igual a 1, pois para valores de Reynolds acima de 100, o escoamento no casco turbulento. Js o fator de correo que leva em conta o fato de que as chicanas de entrada e sada podem estar espaadas diferentemente das chicanas intermedirias, para poder acomodar os bocais de entrada e de sada do casco. Tal fator foi calculado pelas equaes abaixo, sendo Nb o nmero de chicanas.

Aps a determinao dos fatores de correo, calcula-se o coeficiente de pelcula do lado do casco pela frmula abaixo:

3.1.10 Clculo da perda de carga no lado do cascoPara se calcular a perda de carga no lado do casco do trocador de calor casco e tubo, foram utilizadas as frmulas abaixo. Primeiramente, calcula-se a perda de presso numa janela. O mtodo considera para efeito de clculo um fluxo de massa baseado na mdia geomtrica da rea da seo de escoamento.

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Dessa forma, a perda de carga total no escoamento pela janela :

Calcula-se tambm a perda de carga nas regies de entrada e de sada do caso. O valor de m adotado igual a 1,6, pois o escoamento no casco turbulento.

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Aps esses clculos, precisa-se calcular a perda de carga no escoamento cruzado, dessa forma:

Aps todos os clculos acima, pode-se calcular a perda de carga total no casco, que :

3.1.11 Clculo do U globalAps todos os clculos deve-se fazer a verificao do U global, de forma que ocorre um erro menor que 3% entre o adotado e o calculado.

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A condutividade trmica do material (ao) obtida atravs de tabelas, e a mesma vale 52 W/m.K. Os coeficientes de rugosidades do lado do casco e do lado do tubo so respectivamente 0,0002 m C/W e 0,0001 m C/W. Dessa forma, o U foi calculado conforme equao abaixo:

Fazendo a comparao com o U adotado no inicio do projeto, pode-se observar um erro de 1%, ou seja, o projeto esta Ok.

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