Relatorio trocador de calor

TROCADOR DE CALOR

Bruna S. Cabral, Jéssica L. Pimenta, Lívia M. F. Lopes, Mariane M. S. Soares

Curso de Engenharia Química, Instituto de Ciência e Tecnologia.

Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri

Diamantina/MG, novembro de 2016

Resumo:

Os trocadores de calor são equipamentos que proporcionam a troca de calor entre dois fluidos que se encontram a temperaturas diferentes, evitando a mistura de um com o outro [ÇENGEL].

Palavras-chave: Trocador de calor. Coeficiente global. Fluxo.

Introdução

Normalmente os trocadores de calor podem ser classificados quanto à configuração do escoamento e do tipo de construção. No trocador de calor mais simples os fluidos quentes e frios podem passar tanto em mesmo sentido quanto em sentido oposto, porém suas configurações são de tubos concêntricos ou bitubular. Caso os fluidos estejam em sentidos opostos teremos um trocador de calor em contracorrente, enquanto que se estiverem operando no mesmo sentido terá um trocador de calor em paralelo [INCROPERA].

[pic 2]

O tipo mais comum de trocador de calor utilizado é o trocador de calor casco e tubo, como mostrado na figura abaixo. Esse tipo de trocador possui vários tubos contidos em um casco com os respectivos eixos paralelos com o do casco. A transferência de calor ocorre devido à diferença de temperatura no fluido que ocorre no interior dos tubos com o outro que escoa no exterior dos tubos, ou seja, nos cascos. Normalmente chicanas são inseridas no casco para forçar que o fluido percorra todo o casco, o que aumenta a transferência de calor e mantêm a uniformidade de espaçamento entre os tubos. [ÇENGEL]

[pic 3]        

Os trocadores de calor casco e tubo ainda podem ser classificados de acordo com a quantidade de passes envolvidos nos cascos e nos tubos.

Fundamentação teórica

A troca térmica no interior do trocador ocorre primeiramente entre o fluido quente com a parede de onde está retido por convecção, depois através da parede por condução, e, finalmente a partir da parede para o fluido frio por convecção.  Os efeitos de radiação normalmente já estão incluídos nos coeficientes de convecção.

Dessa forma podemos considerar que esses processos de trocas térmicas envolvem resistências térmicas em cada uma delas. Logo, para um trocador de calor de tubo duplo temos:

Rtotal = Ri + Rparede + Re

Onde, os subscritos i e e indicam as superfícies internas e externas dos tubos.

Para esse tipo de trocador temos que a resistência da parede pode ser dada por:

[pic 4]

Onde k é a condutividade térmica do material, L o comprimento tudo, De o diâmetro externo e Di o diâmetro interno.

Para as resistências internas e externas que são por uma troca de calor convectiva, podem ser determinadas por :

[pic 5]

[pic 6]

Onde hi e he são os coeficientes de filme internos e externos respectivamente. E, Ai e Ae, são as áreas da superfície da parede que separa os dois fluidos, também internos e externos respectivamente.

O fluxo de calor convenientemente é estabelecido como do fluido quente para o frio, onde temos:

[pic 7]

Onde As é a área da superfície e U o coeficiente global de transferência de calor. Manipulando a equação acima, temos:

[pic 8]

Como podemos determinar o fluxo de calor também por , podemos também igual a equação acima:[pic 9]

[pic 10]

Tratando de trocadores de calor reais, deve-se levar em consideração também o fator de incrustação, ou seja, o acúmulo de depósitos na área de transferência de calor. Esse tipo de acumulo é mais uma resistência a troca térmica no aparelho, logo também deve ser considerada. O efeito líquido dessas incrustações pode ser representado por fator de incrustação Rf, que é justamente a medida da resistência térmica devido a essas incrustações. Assim, teremos:

[pic 11]

Existem dois métodos mais comumente utilizados para a análise dos trocadores de calor, estes são o método da diferença de temperatura média logarítmica e o método de efetividade NTU.

Método da diferença de temperatura média logarítmica

Primeiramente, são necessárias algumas considerações gerais. Os trocadores de calor são analisados como em regime permanente, os calores específicos são considerados constantes, a condução de calor axial ao longo do tubo é desprezível e a superfície externa do trocador de calor é perfeitamente isolada.

Pela termodinâmica, devido às considerações feitas, os calores da fonte quente e fria são o mesmo.

[pic 12]

[pic 13]

Onde,

mf e mq – taxas de escoamento de massa

Cpf e Cpq – calores específicos

Tf,sai e Tq,sai – temperaturas de saída

Tq,ent e Tf,ent – temperaturas de entrada

Analogamente, a taxa de transferência de calor também pode ser dada pela lei de resfriamento de Newton, depois de alguns rearranjos teremos a seguinte fórmula:

[pic 14]

[pic 15]

Onde o  é a diferença de temperatura média logarítmica, que é a forma adequada da diferença de temperatura média para utilização na análise de trocadores de calor. Aqui,  e  representam a diferença de temperatura na entrada e na saída do trocador de calor. [pic 16][pic 17][pic 18]