Projeto TProjeto Téérmico dermico deTrocadores de CalorTrocadores de Calor

• Aspectos econômicos• Peso• Dimensões• Tipo

COEFICIENTE GLOBAL DE COEFICIENTE GLOBAL DE TROCA TTROCA TÉÉRMICA RMICA

(a) (b)

Flui

do A

Flu i

do B

TA

TB

TA 1T 2T BTq

q

1

h A1 A2

1

hA

x

k

1T

1h

2T

2h

Placa plana

AhkAx

Ah

TTq BA

21

11+

∆+

−=&

21

111

hkx

h

U+

∆+

=totalTUAq ∆=&

TA 1T 2T BT

q

1

h Ai Ae

1

hk

ln (r /r )e i2 Li e

~

Trocador de duplo-tubo

Fluido A

Fluido B

1 2

ee

ie

ii

BA

AhkLrr

Ah

TTq 12

)ln(1++

−=

π

&

ee

iiei

i

i

hAA

kLrrA

h

U1

2)ln(1

1

++=

π e

iee

ii

ee

hkLrrA

hAAU

12

)ln(11

++=

π

Valores aproximados dos coeficientes globais de transferência de calor

Situação física W/m2 K Btu/h pé2 °F

Parede com superfície externa de tijolo aparente, revestida internamente de gesso, não isolada

2,55 0,45

Parede estrutural, revestida internamente de gesso:Não isolada / Isolada com lã de rocha 1,42 / 0,4 0,25 / 0,07

Janela de vidro simples 6,2 1,1

Janela de vidro duplo 2,3 0,4

Condensador de vapor 1100-5600 200-1000

Aquecedor de água de alimentação 1100-8500 200-1500

Condensador de Freon-12 resfriado com água 280-850 50-150

Trocador de calor água-água 850-1700 150-300

Trocador de calor de tubo aletado com água no interior dos tubos e ar sobre os tubos

25-55 5-10

Trocador de calor água-óleo 110-350 20-60

Vapor-óleo combustível leve 170-340 30-60

Vapor-óleo combustível pesado 56-170 10-30

Vapor-querosene ou gasolina 280-1140 50-200

Trocador de calor de tubo aletado, vapor no interior dos tubos ear sobre os tubos

28-280 5-50

Condensador de amônia, água nos tubos 850-1400 150-250

Condensador de álcool, água nos tubos 255-680 45-120

Trocador de calor gás-gás 10-40 2-8

Exemplo 3.1: Água quente a 98°C escoa pelo interior de um tubo de aço [k = 54 W/m. °C] de 2 polegadas, schedule 40, exposto ao ar atmosférico a 20°C. A velocidade da água é 25 cm/s. Calcule coeficiente global de transferência de calor para esta situação, baseado na área externa do tubo.

Do Apêndice A as dimensões do tubo de 2 pol, schedule 40, sãodiâmetro interno = 2,067 pol = 0,0525 mdiâmetro externo = 2,375 pol = 0,06033 m

As propriedades da água a 98°C são

smkg

.1082,2 4−×=µ 76,1=rP3960 m

kg=ρCmWk o.68,0=

O número de Reynolds é680.44

1082,2)0525,0)(25,0)(960(

4 =×

== −µρ dVeRr

4,08,0023,0 rPeRNu =

( ) ( ) 4,15176,1680.44023,0 4,08,0 ==Nu

( )( )Cm

WdkNuh oi .1961

0525,068,04,151

2===

WC

kr

r

Roi

e

aço410097,4

)54(20525,0

06033,0ln

2

ln−×=

==ππ

A resistência térmica da superfície intema, é

( ) ( ) WC

rhAhR

o

iiiii

310092,30525,01961

1211 −×====

ππ

A resistência térmica da superfície externa é

eeeee rhAh

Rπ211

==

41

41

32,132,1

−

=

∆= ∞

dTT

dTh e

e

e

e

aço

ei

i

ia

RTT

RTT

RTT ∞−

=−

=−

( ) 45

4132,12 ∞

∞ −=− TT

dr

RTT

eee

e π

43 10097,410092,398

−− ×−

=×− eii TTT

( )( )( )( ) 4

1

45

406033,0

2032,106033,010097,4

−=

×−

−eei TTT π

CTCT oi

oe 65,976,97 ==

CmWh oe .91,7

06033,0206,9732,1 2

41

=

−=

( ) ( ) WCR

o

e 667,006033,091,7

1==

π

( )eaçoiee RRRA

U++

=1

( )( )( ) CmWU oe .87,7

667,010097,410092,3106033,01

243 =+×+×

= −−π

FATORES DE INCRUSTAFATORES DE INCRUSTAÇÃÇÃOO

mpolisujo UURd 11

−=

Dano econômico

1. Ao dispêndio mais alto de capital em virtude de unidades superdimensionadas.2. Às perdas de energia devidas à falta de eficiência térmica.3. Aos custos associados à limpeza periódica dos trocadores de calor.4. À perda de produção durante o desmonte para limpeza.

Classificação das incrustações Classificação das incrustações devido a sua naturezadevido a sua natureza

•Incrustação por precipitação, a cristalização da substância dissolvida na solução sobre a superfície de transferência de calor•Incrustação por sedimentação, o acúmulo de sólidos finamente divididos, suspensos no fluido do processo sobre a superfície de transferência de calor•Incrustação por reação química, a formação de depósitos sobre a superfície de transferência de calor, por reaçao química•Incrustação por corrosão, o acúmulo de produtos de corrosão sobre a superfície de transferência de calor•Incrustação biológica, o depósito de microorganismos na superfície de transferência de calor•Incrustação por solidificação, a cristalização de um líquido puro, ou de um componente da fase líquida, sobre a superfície de transferência de calor sub-resfriada

IncrustaçãoIncrustação

Corrosão por enxofre e gases contendo enxofre, observando-se resíduo de sulfeto de ferro.Tubo de aço (4-6% Cr e 0,5% Mo), temperatura de 550-600 oC e cerca de oito meses de operação

Tubulação de aço carbono com tubérculos de óxido de ferro

Tubos com incrustação de carbonato de cálcio

Tubo de caldeira com incrustação predominante de

fosfato de cálcio

Tubo de caldeira com incrustação predominante de

carbonato de cálcio

Depósitos Depósitos biológicosbiológicos

A proliferação de algas, fungos, bactérias formadoras de limo e bactérias modificadoras do meio ambiente pode causar problemas de deposição nos trocadores, chegando em certos casos à obstrução

FoulingFouling

Pode ser considerado um aglomerado de materiais, onde o ligante normalmente é a biomassa e, em outros casos, óleomineral ou fluidos de processo, e o material aglutinado é constituído da sólidos suspensos, tais como, silt, lama, produtos de corrosão e outros precipitados inorgânicos.

Fator de incrustação Rd em equipamentos de transferência de calor

WCm o.2

WCm o.2

Velocidade da água 1 m/s ou menos Velocidade da água superior a 1 m/s

Tipos de água:

Água do mar 0,000088 0,000088

Destilada 0,000088 0,000088

Água tratada para alimentação de caldeira

0,00018 0,000088

Camisa de motor 0,00018 0,00018

Grandes Lagos (EUA) 0,00018 0,00018

Torre de resfriamento e tanque de aspersãoAgua de reposição tratada 0,00018 0,00018

Agua sem tratamento 0,00053 0,00053

Sangria de caldeira 0,00035 0,00035

Água salobra 0,00035 0,00018

Água de rio

Mínimo 0,00036 0,00018

Mississipi 0,00053 0,00035

Delaware, Schuylkill 0,00053 0,00035

East River e Baía de Nova Iorque 0,00053 0,00035

Canal sanitário de Chicago 0,0041 0,00106

Lamacenta ou lodosa 0,00053 0,00035

Dura (acima de 15 grãos/galão) 0,00053 0,00053

Tipos de fluido:

Óleos industriais

óleo de recirculação limpo 0,00018

óleos de máquinas ou de transformador

0,00018

óleos vegetais 0,00053

óleo de têmpera 0,00070

óleo combustível 0,00088

Gases e vapores industriais

Vapores orgânicos 0,000088

Vapor de água (isento de óleos)

0,000088

Vapores de álcool 0,000088

Vapor de água, descarga 0,00018

Vapores refrigerantes 0,00035

Ar 0,00035

Líquidos industriais

Orgânicos 0,00018

Líquidos refrigerantes 0,00018

Salmoura (refrigerante) 0,00018

DISTRIBUIDISTRIBUIÇÃÇÃO DE TEMPERATURA O DE TEMPERATURA NOS TROCADORES DE CALORNOS TROCADORES DE CALOR

DIFERENDIFERENÇÇA DE TEMPERATURAA DE TEMPERATURA

mTUAq ∆=

fffqqq dTCmdTCmdq && =−=

qqq Cm

dqdT&

−=

fff Cm

dqdT&

=

( )

+−=−=−

ffqqfqfq CmCm

dqTTddTdT&&

11

21 qqqq TT

qCm−−

=&

( )dA

CmCmU

TTTTd

ffqqfq

fq

+−=

−

−&&

11

21 ffff TT

qCm−

=&

+−=

−

−

ffqqfq

fq

CmCmUA

TTTT

&&

11ln11

22

( ) ( )

−

−

−−−=

11

22

1122

lnfq

fq

fqfq

TTTT

TTTTUAq

diferença média logarítmica de temperatura (DMLT)

( ) ( )

−

−

−−−=∆

11

22

1122

lnfq

fq

fqfqm

TTTT

TTTTT

CORRECORREÇÃÇÃO DA MLDT EM TROCADORES COM O DA MLDT EM TROCADORES COM

CORRENTES CRUZADAS E MULTIPASSECORRENTES CRUZADAS E MULTIPASSE

P

P

FmTFUAq ∆=

11

12

tTttP

−−

=

( )( )

cascodoladop

tubodoladop

Cm

Cm

ttTTR

&

&=

−−

=12

21 F

TEMPERATURA DA PAREDE DO TUBOTEMPERATURA DA PAREDE DO TUBO

io

cw

ioo

cc

Rtt

RRtT

RTQ −

=+−

=Σ∆

=

000

111

i

cw

i

cc

h

tt

hh

tT −=

+

−

( )ccoio

ocw tT

hhhtt −+

+=

( )ccoio

iocw tT

hhhTt −+

−=

Quando o fluido quente está no interior do tubo

( )ccoio

iocw tT

hhhtt −+

+=

( )ccoio

ocw tT

hhhTt −+

−=