projeto reator aquecido de fluxo cruzado

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1 UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA PROJETO TROCADOR DE CALOR (FLUXO CRUZADO PARA AQUECIMENTO DE ÓLEO) FERNANDO LANGE DA SILVA RA:867647-0 RIBEIRÃO PRETO 2011

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Trabalho academico de um projeto em escala de reator aquecido, semelhante a um cozedor a vacuo no processo de fabricação do açucar.

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Page 1: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

1

UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP

INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA

PROJETO TROCADOR DE CALOR

(FLUXO CRUZADO PARA AQUECIMENTO DE ÓLEO)

FERNANDO LANGE DA SILVA RA:867647-0

RIBEIRÃO PRETO

2011

Page 2: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

2

SUMÁRIO

1. Introdução..........................................................................................03

2. Objetivo..............................................................................................05

3. Materiais e Métodos...........................................................................06

4. Resultados e Discussão....................................................................14

5. Conclusão..........................................................................................17

6. Bibliografia.........................................................................................18

Anexos..............................................................................................19 Memorial de cálculos........................................................................20 Apêndice 1.0.....................................................................................21 Apendice 2.0.....................................................................................25

Page 3: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

3

1. INTRODUÇÃO

Um dos grandes desafios da engenharia é a otimização de

projetos em processos industriais, através de problemas inversos,

consegue-se redimensionar, analisar e obter ganhos no rendimento final.

No projeto de um trocador de calor, é necessário ter

conhecimento das variáveis envolvidas para a verificação geral do

processo, no qual envolve analises térmicas, em que será determinada

área de troca térmica necessária para as condições de temperatura e

escoamento dos fluidos, assim como o projeto físico mecânico, que

envolve considerações sobre as pressões de operações, características

dos fluidos, reação de troca de calor entre muitas variáveis envolvidas.

Mesmo conhecendo as propriedades dos fluidos quentes e frios,

tanto como a posição dos fluidos no trocador, há muitas incertezas num

projeto, pois as condições operacionais podem variar.

No caso de problemas inversos, a avaliação de um trocador

existente consiste no conhecimento das dimensões, tipo de trocador,

vazão, temperaturas de entrada dos fluidos, quedas de pressão e perdas

de carga admissíveis, assim como o desempenho térmico , no qual é

avaliado o calor trocado e calculadas as temperaturas de saída dos

fluidos e comparados com o que o processo necessita.

A avaliação do projeto para a otimização, implica na melhor forma

de utilizar o equipamento que no caso deste trabalho trata-se do

aquecimento de óleo mineral no processo de mistura de aditivos, no qual

se eleva a temperatura de 23°C para 80°C mantendo-se estável ate

ocorrer a homogeneização para obtenção do produto final.

Segundo Kern, que é um dos mais tradicionais, o método utilizado

para um projeto de trocador de calor para aquecimento de óleo, propõe

as seguintes etapas:

-Determinação das condições de processo: composição, vazões,

temperaturas e pressões das correntes envolvidas;

Page 4: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

4

-Determinação das propriedades físicas necessárias: densidade, calor

especifico, viscosidade e condutividade térmica em geral;

-Escolha do tipo de trocador de calor: contra corrente, correntes

paralelas e no caso será o de corrente cruzada;

-Estimativas preliminares: envolve área e diâmetros dos tubos, arranjos

e disposição do envoltório.

-Avaliação térmica do modelo escolhido: conduzindo a elaboração de

modificações no modelo proposto ou de sua rejeição.

Para o modelo proposto inicialmente neste trabalho, serão verificados

todos os parâmetros segundo Kern, e comparados com o existente no

processo a fim de estabelecer um melhor rendimento térmico.

Page 5: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

5

2. OBJETIVO

Neste trabalho pretende-se verificar se o Trocador de Calor de

Fluxo Cruzado atende as necessidades do processo de

homogeneização de óleo mineral base, no qual tem como finalidade a

fabricação de óleos lubrificantes automotivos.

Serão calculados todos os parâmetros em cima do projeto

existente, e se após a verificação a maquina não estiver apta para o

processo, será redimensionado, indicando as alterações necessárias

para obter o rendimento bom e atender as solicitações calculadas.

O processo consiste em manter a temperatura do óleo lubrificante

com base mineral em 80°C por aproximadamente 60 minutos (tempo

necessário para a mistura dos aditivos), será utilizado como fluido

quente, vapor de água, o fluxo como dito acima será cruzado com os

tubos na disposição triangular 60° em quincôncio. Um dos diferenciais é

que durante o processo o fluido frio é recirculado internamente,

enquanto o fluido frio tem um passe no arranjo de tubos.

O projeto também possui sistema de agitação mecânico, que influi

no calculo da troca térmica, pois força o fluido a se deslocar

internamente no casco aumentando a velocidade conseqüentemente

obtendo-se uma troca mais eficiente. Para o calculo da influencia do

sistema de agitação, será verificado o quanto eleva a eficiência com sua

presença.

Page 6: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

6

3. MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 Materiais utilizados

Os materiais utilizados para os cálculos foram retirados dos livros

citados abaixo:

-Capitulo 10 – Livro Transferência de Calor - J.P.Holman

-Capitulo 07 – Livro Fundamentos de Transferência de calor e massa -

Incropera & De Witt

O fluido frio utilizado no estudo, consiste em óleo base para

fabricação final de lubrificantes automotivos, suas propriedades estão na

Tabela 3.1.1 , assim como as propriedades do fluido quente no qual será

utilizada água aquecida.

Tabela 3.1.1 Propriedade dos fluidos, dados extraídos – Livro Processos de

transferência de calor – Donald Q. Kern

O reator químico com aquecimento de fluxo cruzado e sistema de

agitação mecânica possui os seguintes materiais a serem considerados

nos cálculos:

Material tubos............................................aço-liga 1,25% Cr e 0,5% Mo

Material envoltório......................................aço-liga 1,25% Cr e 0,5% Mo

Material espelho........................................aço-liga 1,25% Cr e 0,5% Mo

Page 7: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

7

3.2 Métodos dos cálculos

3.2.1 Coeficiente global de transferência de calor.

Onde, a área de transferência de calor externa

E a área interna é .

Assim o coeficiente global será calculado baseando-se na área

interna do trocador.

3.2.2 Balanço de massa e energia do trocador de calor.

Sendo:

mq = vazão mássica fluido quente;

Cpq = calor específico fluido quente;

(Tqe – Tqs) = Intervalo de temperatura do fluido quente.

mf = vazão mássica fluido frio;

Cpf = calor específico fluido frio;

(Tfe – Tfs) = Intervalo de temperatura do fluido frio.

Page 8: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

8

Condições conhecidas do projeto:

-Fluido frio: Óleo mineral base

Tfe = 23°C

Tfs = 80°C

Q = Vazão cte por batelada

-Fluido quente: Água saturada aquecida

Tqe = 123°C

Tqs = 66°C

Q = 200 m³/h

Levando em consideração os coeficientes de película e o de

convecção, assim como a área de troca térmica, a taxa de transferência

de calor fica:

3.2.3 Média logarítmica.

Considerações:

-Os calores específicos não são função da temperatura;

-Regime permanente

-Escoamento totalmente desenvolvido, ou seja, coeficientes de

convecção e global são constantes ao longo do trocador.

Sabe-se de antemão que se uma corrente se esfria, outra se

esquenta, na figura 3.2.3, segue esboço gráfico das correntes. Abaixo,

operando neste termo, temos:

Page 9: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

9

Figura 3.2.3 – Distribuição de temperatura no trocador de correntes paralelas e

passagem única.

Como no caso o trocador é de correntes cruzadas, a situação da

MLDT será modificada, na prática a media logarítmica é somente uma

aproximação, pois em geral U, não é uniforme nem constante.

Entretanto, o coeficiente global de transferência de calor é sempre

avaliado em seção média, ou seja, na metade das extremidades

conforme ilustrado na figura 3.2.3.

Com a modificação dos intervalos de temperatura a MLDT fica:

Fator “F” para a correção da MLDT, pode ser obtida a partir de

equações, Kern apresenta a dedução dessas equações para uma

passagem no envoltório e (uma ou várias no tubo).

As equações utilizadas para o caso foram:

Page 10: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

10

Mas para o caso particular de teremos

R=1, portanto, deve-se utilizar S* no lugar de S, onde S* fica:

Onde F busca generalizar as equações a fim de facilitar a

utilização em modelagens computacionais, alem de fornecer valores

mais precisos do que os tirados da área do gráfico.

Portanto, a equação de MLTD corrigida fica:

3.2.4 Área de troca térmica e escoamento.

Área dos tubos:

Área de escoamento do lado do tubo:

Page 11: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

11

Área de troca térmica:

Como já é existente o numero de tubos dispostos no espelho do

trocador, será verificado com a seguinte condição:

Sendo válida também a verificação para o comprimento dos

cubos:

Numero de Reynolds no lado dos tubos:

Numero de Reynolds no lado do envoltório:

Coeficiente de convecção do lado do tubo:

Page 12: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

12

Coeficiente de convecção do lado do envoltório:

3.2.5 Eficiência de troca térmica

A efetividade do trocador de calor é a razão entre o calor

transferido e o calor máximo que poderia ser transferido dispondo de

área infinita.

A grande importância de se conhecer a eficiência térmica é que

podemos determinar a quantidade de calor trocado mesmo sem

conhecer as temperaturas de saída dos fluidos. As temperaturas de

entradas sempre são conhecidas, e no caso que é uma avaliação de um

trocador existente isso é muito importante para determinar se o projeto

está dimensionado corretamente.

3.2.6 Verificação (Área de troca necessária X Área de troca projeto)

Será avaliada a área de erro a fim de redimensionar se

necessário uma nova área de troca térmica no projeto.

Ludwing ET. AL. Recomenda que EA (erro de área) esteja entre

10% e 20% para que o trocador seja aceitável termicamente, pois a área

Page 13: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

13

necessária calculada, é a área dimensionada para o aquecimento do

óleo especificado. Portanto a equação fica:

Page 14: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

14

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO.

A simulação para o projeto de adequação do trocador de calor

semibatelada de fluxo cruzado inicialmente foi considerados os

seguintes dados fixos de entrada:

Devido ao projeto existir no físico com outra aplicação, a

verificação dos dimensionais reais foram realizadas a fim de observar

se área de troca térmica seria aceitável dentro dos parâmetros ideais

para uma maquina térmica.

Realizado os cálculos devidos para encontrar o erro de área de

troca térmica, tendo como principal parâmetro a área de projeto

necessária, foi constatado um erro de aproximadamente 21%, sendo

que Ludwing ET. AL. Recomenda que EA (erro de área) esteja entre

10% e 20% para que o trocador seja aceitável termicamente, pois a área

necessária calculada, é a área dimensionada para o aquecimento do

óleo especificado.

Constatado então que o projeto inicial estava termicamente

inaceitável, sendo necessário o redimensionamento para encontrar uma

solução ao problema.

Page 15: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

15

Foi discutido que a solução seria em cima da área do espelho, na

qual fornece calor ao fluido frio por condução térmica e convecção

forçada. A primeira cogitação foi alterar o diâmetro externo do espelho

de (0,784 metros) para (0,884 metros), aumentando o diâmetro externo

assim aumentando sua área. Termicamente o reparo funcionou, sendo o

erro de área perto dos 16%, estando dentro da indicação especificada,

porem em relação à construção do reparo ficou inviável devido à

dificuldade de aumentar o diâmetro externo do espelho, no caso seria

mais fácil fazer um novo espelho para o projeto.

Pensando nas possíveis soluções, foi testado nos cálculos da

planilha a possibilidade de diminuir o diâmetro interno do espelho, no

que resultaria no aumento da área do espelho. Alterando então o

diâmetro interno do espelho de (0,324 metros, para 0,250 metros), e

(com a adição de 8 tubos no arranjo), o erro de área foi para 11%

ficando ideal para a aplicação.

Após as devidas modificações os dados de entrada para os

cálculos ficaram da seguinte maneira:

Conforme alterado e verificado conforme acima, o projeto ficou

termicamente aceito com 11% de erro de área, e construtivamente viável

sendo o reparo de fácil aplicação não sendo necessária a troca do

espelho, tornando-o assim menos oneroso.

Page 16: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

16

Na figura abaixo, segue ilustração do espelho do trocador, onde

as maiorias dos cálculos estão concentradas em suas variáveis. Esta

peça no projeto é a responsável pela troca térmica entre os fluidos.

Page 17: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

17

5. CONCLUSÃO.

O método de calculo proposto por Kern et. al. , é eficiente quanto

a verificação rápida da modelagem térmica do projeto, porem necessita

de um tempo maior de estudo para refinar os cálculos e levar em conta

outros fatores desconsiderados neste trabalho como perda de carga no

escoamento interno do fluido quente, impurezas na água aquecida que

em campo é reaproveitada de outros setores podendo aumentar o fator

de incrustação, assim como perda de calor para a vizinhança, na qual

depende do local onde o equipamento ira ser instalado.

No calculo da efetividade térmica, método de Incropera e DeWitt,

verificou-se a importância de se conhecer as quantidades de calor

transportado e cedido, podendo assim determinar inicialmente se o

projeto será aceito termicamente, ou rejeitado.

No estudo térmico do espelho, foi perceptível o quanto suas

dimensões influenciam na quantidade de calor cedido, tanto que o

problema de eficiência térmica do projeto inicial foi corrigido alterando

suas dimensões.

Foi observado e calculado o quanto o sistema de agitação

mecânico influencia na velocidade com que o fluido passa pelos tubos,

sendo essa parte muito complexa por inúmeras variáveis que levariam

mais tempo para serem detalhadas no projeto, mas que não podem de

maneira alguma ser esquecidas nos cálculos, pois foi verificado que

alterando a velocidade do fluido, altera-se também o calor transportado

por convecção, alem da influencia na mistura e homogeneização do

óleo.

Conclui-se que, termicamente o trabalho está bem elaborado para um

trocador com fluxo cruzado de vazão constante no envoltório, porém

para a conclusão de um projeto detalhado de trocador de calor, envolve

inúmeras variáveis em conjunto.

Page 18: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

18

7. BIBLIOGRAFIA.

KREITH, FRANK & S. BOHN, MARK. Princípios de Transferência de Calor. Editora Thomson Learning. São Paulo. 2003. p.435-467. H. PERRY, ROBERT. W. GREEN, DON. Perry’s Chemical Engineer’s Handbook. McGraw-Hill Handbooks Companies. 7° Edition. 1999

INCROPERA, F. P. & DEWITT, D. P. Fundamentos de Transferência de Calor e Massa. LTC - Livros Técnicos e Científicos, Rio de Janeiro. 1998.

DONALD Q. KERN – Processos de Transferência de calor

CIA editoral continental - Trigésima primeira edição – México 1999

Page 19: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

19

ANEXOS.

Page 20: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

20

MEMORIAL DE CALCULOS.

1.0 – Cálculo inicial (TÉRMICAMENTE INADEQUADO).

1.1 Coeficiente global de transferência de calor.

Fator de incrustação do lado do casco =

0,00040 h m² ºC/kcal

Fator de incrustação do lado do tubo =

0,00034 h m² ºC/kcal

129,2

W/s.m2.°C

Taxa de transferencia de calor:

1779,917 W/m²°C

1.2 Balanço de massa e energia do trocador de calor.

Vazão Fluido quente =

1,15 m³/h

0,0003 m³/s

Vazão Mássica Fq = 0,301 Kg/s

33 °C

57 °C

RiqRifhfhqU

111

)(** CORRIGIDOTOTALGLOBAL MLDTAUq

Tq

Tf

Page 21: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

Temperaturas Fluido Quente: Temperaturas Fluido Frio:

Tqe = 123 °C

Tfe = 23 °C

Tqs = 90 °C

Tfs = 80 °C

Calor cedido é igual ao transportado

41567 W/m²°C

Vazão Mássica Ff = 0,342

41567 W/m²°C

100 °C

10 °C

LMDT = 39,09 °C

0,5789

0,5700

1.3 Coeficientes no lado do tubo - Método Bell-Dellaware

3,6309 kg/s.m2

oqh 2

)(entradaT

)(saidaT

qóleo

)()(

TfeTfsTqsTqeR

)()(

TfeTqeTfeTfsP

t

t awG

itt

dGRe

Page 22: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

716,83

Regime Laminar

0,0037 m/s

1426,695 W/m2.°C

1312,559 W/m2.°C

1.4 Coeficientes no lado do casco - Método Bell-Dellaware

0,9844 kg/s.m2

233852 Regime Turbulento

0,1233 m/s

158,873286 W/m2.°C

2tG

v

i

água

dk

hq 3/15/4 PrRe36,0

e

eqio d

edhh

.2.

t

t awG

2tG

v

i

óleo

dk

hq 3/15/4 PrRe027,0

NpD

C*²Re

Page 23: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

23

158,1 W/m2.°C

Potencia instalada (P)= 1491 Watts

Redução motora = 29

Diametro impelidor (D) = 0,224 m

Torque Eixo saida= 115 Kgf.m Tempo de mistura (tm)= 3600 s

Motor instalado = 2 CV

Rotação impelidor (N) = 379,2 Rad/s

Rotação motor = 1750 RPM

Numero de potencia transferida do impelidor para o fluido:

3E-05 #

Numero de bombeamento:

0,071 #

Numero de mistura:

1E+06 #

Velocidade do agitador:

266,8 m/s

e

eqio d

edhh

.2.

5*³* DNPNpo

³* DNWNbo

tmNNm *

DNUt **

Page 24: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

1.5 Área de troca térmica.

0,40 m²

0,48 m²

Verificação do comprimento dos tubos:

0,0531 m

Comprimento dos tubos estão OK !

Vazão interna dos tubos

0,039 m³/s

Eficiencia da area de troca termica:

21%

PROJETO TÉRMICAMENTE INADEQUADO

queespelhotuboprojeto AAAA tan

TUBOSTOTAL

TUBOS

AVt

Q.

100*)(necessaria

necessariaprojeto

AAA

EAT

Page 25: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

25

2.0 – Cálculo inicial (TÉRMICAMENTE ACEITO).

2.1 Coeficiente global de transferência de calor.

Fator de incrustação do lado do casco =

0,00040 h m² ºC/kcal

Fator de incrustação do lado do tubo =

0,00034 h m² ºC/kcal

74,62 W/s.m2.°C

Taxa de transferencia de calor:

1113,561 W/m²°C

2.2 Balanço de massa e energia do trocador de calor.

Vazão Fluido quente =

1,15 m³/h

Vazão Mássica Fq = 0,301 Kg/s

0,0003 m³/s

33 °C

57 °C

Temperaturas Fluido Quente: Temperaturas Fluido Frio:

Tqe = 123 °C

Tfe = 23 °C

Tqs = 90 °C

Tfs = 80 °C

Calor cedido é igual ao transportado

RiqRifhfhqU

111

)(** CORRIGIDOTOTALGLOBAL MLDTAUq

Tq

Tf

oqh 2

Tf

Page 26: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

41567 W/m²°C

Vazão Mássica Ff = 0,342 Kg/s

41567 W/m²°C

100 °C

10 °C 2.3 Média Logaritmica do Intervalo de Temperatura.

LMDT = 39,09 °C

0,5789

0,5700

34,41 °C

2.4 Coeficientes no lado do tubo - Método Bell-Dellaware

3,6309 kg/s.m2

0,880399

)(entradaT

)(saidaT

qóleo

)()(

TfeTfsTqsTqeR

)()(

TfeTqeTfeTfsP

t

t awG

Page 27: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

716,83

Regime Laminar

0,0037 m/s

1426,695 W/m2.°C

1312,559 W/m2.°C

4.5 Coeficientes no lado do casco - Método Bell-Dellaware

0,8876 kg/s.m2

104864 Regime Turbulento

0,0744 m/s

itt

dGRe

2tG

v

i

água

dk

hq 3/15/4 PrRe36,0

e

eqio d

edhh

.2.

t

t awG

2tG

v

NpD

C*²Re

Page 28: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

28

83,63731138 W/m2.°C

83,21 W/m2.°C

Potencia instalada (P)= 1491 Watts

Redução motora = 29 Diametro impelidor (D) = 0,15 m Torque Eixo saida= 115 Kgf.m

Tempo de mistura (tm)= 3600 s Motor instalado = 2 CV Rotação impelidor (N) = 379,2 Rad/s

Rotação motor = 1750 RPM

Numero de potencia transferida do impelidor para o fluido:

2E-04 #

Numero de bombeamento:

0,235 #

Numero de mistura:

1E+06 #

Velocidade do agitador:

i

óleo

dk

hq 3/15/4 PrRe027,0

e

eqio d

edhh

.2.

5*³* DNPNpo

³* DNWNbo

tmNNm *

Page 29: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

178,7 m/s

2.6 Área de troca térmica.

0,43 m²

0,48 m²

Verificação do comprimento dos tubos:

0,0575 m

Comprimento dos tubos estão OK !

Vazão interna dos tubos

0,039 m³/s

Eficiencia da area de troca termica:

11%

PROJETO TÉRMICAMENTE ACEITAVEL

DNUt **

queespelhotuboprojeto AAAA tan

TUBOSTOTAL

TUBOS

AVt

Q.

100*)(necessaria

necessariaprojeto

AAA

EAT

Page 30: Projeto Reator Aquecido de Fluxo Cruzado

30