projeto reator aquecido de fluxo cruzado
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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.TRANSCRIPT
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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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
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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;
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.
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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.
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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
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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.
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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:
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:
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:
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:
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
13
necessária calculada, é a área dimensionada para o aquecimento do
óleo especificado. Portanto a equação fica:
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.
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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.
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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.
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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.
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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
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ANEXOS.
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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
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
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
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 **
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
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
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
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
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 *
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
30