Experimento 5 - Trocadores de Calor

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Universidade Federal do Maranhão - UFMA. Curso: Engenharia Mecânica Disciplina: Laboratório de Calor e Fluido Prof. Dr: Glauber Cruz / 2017.1

TROCADOR DE CALOR DO TIPO PLACAS: Determinação do coeficiente global de transferência de calor Hudson Douglas Silva Morais - 2013019934

São Luís - MA Junho – 2017 2017

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Hudson Douglas Silva Morais - 2013019934

TROCADOR DE CALOR DO TIPO PLACAS: Determinação do coeficiente global de transferência de calor

Relatório de aula prática apresentado para a obtenção obtenção da 1ª 1ª parte da terceira terceira nota da disciplina de laboratório de calor e fluído I, do curso

de

Universidade

engenharia Federal

mecânica do

da

Maranhão,

ministrada pelo Prof. Dr. Glauber Cruz.









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RESUMO Esta prática consistiu na verificação do coeficiente de transferência de calor global para um trocador de calor do tipo placas para três formas de operação: variando igualmente as vazões do líquido quente e do frio, mantendo a vazão do fluido frio constante em 100L/h e 200L/h e variando a vazão do fluido quente. O líquido utilizado foi a água.

Palavras-chave: Coeficiente global de transferência de calor, trocador de calor.









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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO............................................... ..................................................................... ............................................ ............................01 ......01

2 TROCADORES DE CALOR ........................................... ................................................................. ................................02 ..........02 2.1.ESC COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR.......02 2.2.MÉDIA LOG DAS DIFERENÇAS D IFERENÇAS DE TEMPERATURA- MLDT............04 2.2.1. Trocador em escoamento paralelo.....................................................0 paralelo.....................................................055 2.2.2. Trocador em escoamento contracorrente...........................................06 contracorrente...........................................06 2.3.O MÉTODO DA EFETIVIDADE................................ EFETIVIDADE....................................................... .................................07 ..........07 3 MATERIAIS E METODOS ......................................... ................................................................ .....................................08 ..............08 3.1.MATERIAIS............................... 3.1.MATERIAIS..................................................... ............................................. ............................................0 .....................088 3.2.MÉTODOS........................... 3.2.MÉTODOS................................................. ............................................ ............................................ .............................09 .......09 4 ANALISE DOS RESULTADOS ...................................... ............................................................. .................................10 ..........10 5 CONCLUSÃO........................................... ................................................................. ............................................ ...................................14 .............14 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................... .............................................................15 ..............15









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1. INTRODUÇÃO No setor industrial devido à alta competividade vigente, surge a necessidade de otimização dos processos para a minimização de custos operacionais e maximização dos processos. Nesse sentido etapas que envolvam trocas térmicas, t érmicas, sendo para aquecimento ou resfriamento precisam estar adequadas a essas exigências. Nesse sentido indústrias como as de processamento processamento químico: alimentícia e farmacêutica especialmente especialmente os trocadores de calor tradicionais do tipo t ipo casco e tubo vem sendo substituídos por trocadores do tipo placas por estes serem mais compactos, econômicos e eficientes Pearce (2001, Apud GUT, p.1, 2003). Estes equipamentos consistem basicamente de um conjunto de placas consideravelmente finas, que são fixadas por meio de parafusos, estando separadas por gaxetas de maneira que entre as placas exista um canal de pequena espessura por onde circula fluidos quente e frio de forma alternada (figura 1).

Figura 1: Fluxo alternado de fluidos no trocador.

Fonte: www.solucoesindustriais.com.br/image www.solucoesindustriais.com.br/images/produtos/imagens_ s/produtos/imagens_10052/p_trocado 10052/p_trocadorrde-calor-de-placas-5.jpg Ainda segundo (GUT, 2003), estes trocadores têm como vantagem “a flexibilidade, versatilidade, economia de espaço, facilidade de limpeza e manutenção, alto











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2. TROCADORES DE CALOR Um trocador de calor é um equipamento utilizado para promover a troca de calor entre fluidos a diferentes temperaturas, sendo aplicado para condicionamento de ar, produção de potência, aquecimento, em processos e processamento processamento químico (INCROPERA; DEWITT, 2015). Dessa forma é importante o conhecimento dos parâmetros de avaliação avaliação de desempenho, desempenho, eficácia e compreender compreender a metodologia metodologia para seu projeto. Estes equipamentos são classificados de acordo com a sua geometria que, sendo do tipo bi tubular, t ubular, casco e tubo ou compactos (tubos aletados e placas paralelas) paralelas) ou devido a direção dos escoamentos que podem ser em paralelo ou em contracorrente. Os trocadores de calor compactos possuem uma grande quantidade de tubos ou de placas muito pouco espaçadas. espaçadas. Segundo Segundo (INCROPERA; DEWITT, 2015), 2015), trocadores de placas paralelas p aralelas podem ser corrugados ou aletados e podem operar com um ou vários passes (figura 2). 2).

Figura 2: Trocadores com um ou múltiplos passes.

Fonte: Extraído de INCROPERA; DEWITT, 2015. 2.1. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR









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 



Os índices e denotam frio e quente respectivamente e é ajustado de acordo com a forma geométrica da parede onde ocorre a troca térmica. A equação 1 é empregada para analises analises onde as as superfícies superfícies não são são aletadas e não há há presença presença de incrustações, incrustações, nela nela percebe-se que é um parâmetro que pode ser tomado de qualquer lado da superfície. Todavia isso não vale para uma vez que e .

      



 ≠   ≠  Como a presença de incrustações implica um aumento de  , para considerar esse efeito um fator de deposição ′′  é inserido na equação 1. A introdução de aletas leva a um crescimento da área de troca térmica, proporcionando um decréscimo na resistência convectiva, convectiva, elas são em pregadas do lado do menor coeficiente de convecção. A equação 1 fica

1  1 + ′′, +  + ′′, + 1  ℎ     ℎ 

(2)

o fator é denominado efetividade da temperatura em regiões aletadas, esse termo tem definição de forma que a taxa de calor transferida de ou com é



  ′′  0   ℎ − 

(3)

– Temperatura Temperatura da superfície aletada e

  1 −   1 − 

onde

/ - Área da superfície de todas as aletas pela área total da superfície;  - Efetividade de uma aleta; A efetividade de uma aleta depende de suas condições de contorno, para o caso de extremidade adiabática:

  0 ⇒   tanh  









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2.2.

MÉDIA LOG DAS DIFERENÇAS DE TEMPERATURA- MLDT

Para realização de analises e projeto de trocadores de calor associar o desempenho deste com as temperaturas de entrada e de saída de fluídos, coeficiente global de transferência de calor e a área total de transferência tr ansferência..

Figura 3: Balanço de energia para fluídos quente e frio.

Fonte: Extraído de INCROPERA; DEWITT, 2015.



Da figura 3, para a taxa de transferência entre os fluídos é obtida por meio de um balanço de energia onde considera as seguintes hipóteses: 1. 2. 3. 4.

Não há transferência transferência de calor para para a vizinhança; vizinhança; Variação de energia cinética e potencial desprezíveis; Propriedades constantes; Condução axial ao longo do tubo igual i gual a zero;

  ̇ (, − , )  ̇ , − , 

(5)

– é é a entalpia.

Se não há mudança de fase e

   e a equação 5 fica   ̇ ,(, − , )   ̇  −  

(6)









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onde

∆ é a média das diferenças de temperatura ∆. 2.2.1.

Trocador em escoamento paralelo



A figura 4 mostra a variação da diferença de temperatura em relação a em um trocador de calor com escoamento de fluídos em paralelo, os subscritos 1 e 2 indicam as extremidades. Tomando ; ; e .

,  , ,  , ,  , ,  ,

Figura 4: Distribuição de temperaturas t emperaturas para escoamento em paralelo.

Fonte: Extraído de INCROPERA; DEWITT, 2015.

 e área , fazendo o balanço de   −̇ , ≡ − (9)

considerando considerando o elemento diferencial de comprimento energia nos elementos, temos:









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∆ ∆   − 

(12)

Substituindo (8) e (9) em (11), e integrando ao longo das extremidades dos trocadores, tem-se

ln ln ΔΔ  − −1 + 1

(13)

Substituindo (6) em (12), tem-se

ln ln ΔΔ  [(, − ,) − (, − ,)] Da figura 3, observa-se que para trocadores t rocadores com escoamento em paralelo

∆∆ ≡≡ ,, −− ,,  ,, −− ,, Δ    lnlnΔΔ −/Δ 

(14)

comparando (13) com (8)

Δ ∆   lnΔΔ −/Δ  Dessa forma verifica-se que o ∆ adequado é uma média logarítmica ∆  Δ  Δ − Δ ∆  lnΔΔ −/Δ  lnΔ/Δ 2.2.2.

Trocador em escoamento contracorrente

(15)











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,  ∆∆ ≡≡ ,, −− ,,  ,, −−  Figura 5: Distribuição de temperaturas em trocador em contracorrente.

Fonte: Extraído de INCROPERA; DEWITT, 2015. O MÉTODO DA EFETIVIDADE









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í=mínimo,   ≡ á

(17)

substituindo (6) e (16) em (17), obtém-se

  í(,, − −,,)  í(,, − −,,)  0≤≤1

(18)

portanto

  á

(19)

Segundo (INCROPERA, 2015) a efetividade depende do número de unidades de transferência de calor (NTU) e da razão entre as taxas caloríficas .

í    , á e



  í/á

(20)









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Figura 6:Materiais utilizados no experimento.

Fonte: Elaboração própria.









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4.

ANALISE DOS RESULTADOS Nas tabelas são apresentados os valores das temperaturas medidas na entrada e

saída de ambos os líquidos (água quente e fria). Com base nas equações (6) e na tabela A. 6 do INCROPERA, 2015 (os calores específicos foram obtidos efetuando interpolações para o valor médio das temperaturas inicial e final de cada fluído) calculouse as taxas de transferência de calor mostradas.

Tabela 1: Resultado para a variação da vazão dos dois fluidos. VARIANDO AMBOS OS FLUÍDOS Fluído quente Fluído frio

Taxa de calor

/         

0 0,02769577 0,04154366 0,05539155 0,06923943 0,08308732 0,09693521

314,65 316,45 316,05 315,85 315,95 316,45 316,85

309,35 312,85 312,95 312,55 312,45 312,75 313,15

301,35 301,45 301,55 301,75 301,85 301,95 301,95

303,85 302,15 301,65 303,75 305,65 306,55 307,65

0 416,659338 538,181114 763,859001 1012,69185 1284,69655 1498,84133

0 81,0114712 17,3597671 462,901644 1099,33878 1596,89601 2308,49541









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Tabela 3:Fluxo de calor para a vazão do fluido frio fixa em 200L/h.

   , ,  / / Taxa de calor Fluído quente Fluído frio /         

0,0276957 0,0415436 0,0553915 0,0692394 0,0830873 0,0969352 0,1107831

319,15 319,15 319,05 319,05 319,35 319,65 319,75

314,05 301,75 302,65 314,35 301,85 302,45 314,55 301,85 302,85 315,15 301,85 303,25 315,85 301,85 303,85 316,15 301,85 304,55 316,55 301,85 305,25 Fonte: Elaboração própria.

590,322482 833,402428 1041,75552 1128,58469 1215,42797 1418,01966 1481,70357

156,233417 104,155861 173,591440 243,025689 347,174571 468,677819 590,176996

Verifica-se que há uma divergência entre a teoria e os valores obtidos experimentalmente uma vez que os valores da taxa de calor não deveria depender do lado da paca, ou seja, o calor perdido pelo fluído quente deveria ser absorvido pelo fluído frio. Além disso na tabela 2 verifica-se valores negativos para a taxa do fluido frio, fato que indica que ele está perdendo calor.



Várias razões podem ser supostas para justificar justifi car esses erros, tais como: medições imprecisas do termostato, a presença de incrustações e a existência de perda de calor para o ambiente, isto é, o trocador não está isolado como considerado na teoria. Esses fatores reduzem significativamente a eficiência.











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Tabela 5: Resultado experimental para a variação da vazão de ambos os fluídos. VARIANDO AMBOS OS FLUÍDOS

∆ ∆  ∆ /.  5,3 3,6 3,1 3,3 3,5 3,7 3,7 4,3

2,5 0,7 0,1 2 3,8 4,6 5,7 6,1

8,833362593 0 12,72918228 5,198154299 12,83357655 5,755404109 11,2425553 14,50782497 10,01025454 28,0519204 9,769310591 39,21716195 9,431944859 53,66949907 9,022455861 70,94160388 Fonte: Elaboração própria.

 0,50001735 0,50001316 0,50002333 0,50003529 0,50004606 0,50005743 0,50005983

Tabela 6: Resultado experimental para a vazão do fluído fl uído frio constante (100L/h).

   , /









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variando de forma quadrática quando ambos os fluxos de fluído f luído são vaiados e de maneira linear para o caso onde a vazão de fluído frio é mantido fixo.

Figura 7: Variação do coeficiente global de transferência de calor em função da vazão.

COEFICIENTE GLOBAL X VAZÃO VAZÃO U1

U2

U3

Polinomial (U1)

Linear (U2)

Linear (U3)

80 70

y = 6662,2x2 - 103,04 103,04xx + 1,1336 R² = 0,9955

60 ] ) K . 50 2 ^ M40 ( / W [ 30 U

y = 146,79x + 2,7511 R² = 0,9917

20 y = -25,867x + 6,6044









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Figura 8:Variação da efetividade em função da vazão. EFETIVID ADE X VAZÃO VAZÃO Efetividade 3 Efetividade Logarítmica (Efetividade 2)

Efetividade 2 Polinomial (Efetividade 3) Linear (Efetividade)

0,9 y = 0,2168ln(x) + 1,2863 R² = 0,9957

0,8 E D0,7 A D I V I T E 0,6 F E

y = 26,176x2 - 1,3619 1,3619xx + 0,576 R² = 0,8021

0,5 0,4 0,02

y = 0,0006x + 0,5 R² = 0,9427

0,04

0,06 0,08 VAZÃO (KS/S)

Fonte: Elaboração própria.

0,1

0,12









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6.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] GUT, Jorge Andrey Wilhelms. Configurações ótimas para trocadores de calor a placas. Tese de Doutorado. Universidade de São Paulo. Disponível em < http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-2210200 /3/3137/tde-22102003-093322/en.php 3-093322/en.php > [1] INCROPERA, Frank P.; DEWITT, David P.; BERGMAN, Theodore L.; LAVINE, Adrienne. Fundamentos de transferência de calor e de massa . 7. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2015. 658 p.

Experimento 5 - Trocadores de Calor

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