Avaliação da eficiência de um trocador de calor tipo serpentina

Objetivo

O experimento teve como objetivo avaliar a eficiência de um trocador de calor tipo serpentina através dos dados coletados pelo sistema de aquisição em laboratório.

Croqui e aparatos experimentais

Materiais utilizados no experimento:

2 rotâmetros;

1 aquecedor elétrico;

válvulas;

tubos de PVC;

1 amperímetro;

4 termopares do Tipo K;

1 voltímetro;

trocador de calor;

1 termômetro de temperatura laser infravermelho;

1 termo higrômetro digital;

1 placa de aquisição de dados;

1 computador;

Água da rede da UFES;

Introdução teórica

Trocadores de calor são equipamentos usados para impor a troca de calor entre dois fluidos que estão a diferentes temperaturas e que podem estar separados por uma superfície sólida ou não. Eles são classificados de acordo com o tipo de geometria e avaliados de acordo com a configuração do escoamento. O trocador de calor avaliado no presente experimento é do tipo serpentina e opera na configuração de escoamento paralelo.

Existem métodos para se avaliar a eficácia de um trocador de calor, quais sejam, o uso da média logarítmica das diferenças de temperatura e o método da efetividade-NUT. Ambos utilizam o coeficiente global de transferência de calor - U.

A determinação do coeficiente U é uma etapa essencial para qualquer análise de um trocador de calor, mesmo sendo frequentemente a mais imprecisa. Ele é definido em função da resistência térmica total à transferência de calor entre dois fluidos Rtot e a área A, através da equação 1:

U = 1/Rtot*A (1)

A média logarítmica das diferenças de temperatura MLDT é calculada quando se deseja obter a média das temperaturas para o cálculo da transferência de calor, dq na equação 2, em um elemento infinitesimal. É utilizada a média logarítmica, através da equação 3, pois o comportamento da temperatura é logarítmico conforme comprovado por integração em [2]. Porém, quando é sabido somente as temperaturas de entrada a análise por esse método exigirá um processo iterativo trabalhoso.

dq = U*T*dA (2)

Tml = (T1-T2)/(ln(T1/T2)) (3)

Para o caso de escoamento paralelo em questão:

T1 Tq,ent - Tf,ent (4)

T2 = Tq,sai - Tf,sai (5)

Quando as temperaturas de saída não são conhecidas, um método alternativo ao MLDT é o método da efetividade-NUT, onde NUT significa número de unidades térmicas.

Para o cálculo da efetividade, deve-se primeiro calcular a taxa de transferência de calor máxima possível, qmax, no trocador, expressa pela equação (6)

qmax =Cmin*(Tq,ent - Tf,ent) (6)

onde Cmín é o menor valor entre C do fluido quente e do fluido frio, calculado pela equação (7).

C=mponto*cp (7)

A efetividade é a razão entre a taxa de transferência de calor real em um trocador e a taxa de transferência de calor máxima

=q/qmax (8)

então,

q=*Cmin*(Tq,ent - Tf,ent) (9)

Para um trocador de calor qualquer:

=f(NUT, (Cmin/Cmax)) (10)

onde Cmin/Cmax é igual a C do fluido frio dividido pelo C do fluido quente ou o inverso, dependendo das magnitudes relativas das taxas de capacidades caloríficas de ambos e NUT é um parâmetro adimensional amplamente utilizado na análise de trocadores de calor, como sendo:

NUTU*A/Cmin (11)

O trocador de calor foi modelado como casco tubo, 1 e 2 passes. A equação 12, corresponde à modelagem feita para o cálculo de NUT, segundo [3]

(12)

Metodología experimental

Água da rede de abastecimento foi regulada por um registro para sua passagem pelo rotâmetro, seguindo pela passagem através do aquecedor e por fim pela tubulação até a entrada T2. Esta sai então em T3, percorrendo um caminho paralelo ao fluxo de água fria, que perfaz o trajeto de T1 a T4. Essa configuração foi nomeada como Configuração 3, e está representada no croqui. Os dois fluxos foram regulados com o decorrer do experimento. A tensão e corrente no aquecedor foram também verificadas.

Os 4 termopares estavam localizados um em cada entrada ou saída do trocador de calor e nesses 4 pontos as temperaturas foram registradas ao longo de todo o experimento por meio de um sistema de aquisição automática de dados. O regime permanente foi considerado entre as medidas 161 e 200.

Comentários e conclusões

As temperaturas medidas em cada termopar durante a execução do experimento estão indicadas no Gráfico 1. Para a realização dos cálculos subsequentes, foi necessária a seleção de uma faixa em que se identifique o regime permanente. Por análise visual dos dados, inferiu-se que o trecho entre as leituras 151 e 200 apresentou o melhor comportamento em termos de constância na temperatura dos termopares.

O regime permanente no trecho deve no entanto ser validado por métodos estatísticos consagrados, tal como o da comparação de médias flutuantes. Tomando a média dos 40 valores entre 161 e 200 indicados na Tabela 1, nota-se que este valor dista da média dos 20 valores entre 171 e 190 menos que um desvio padrão, conforme evidenciado na Tabela 2.

Tabela 1 - Dados selecionados para análise

T4 [°C]

T3 [°C]