Serpentina Para Tanque Memorial de Calculo

MEMÓRIA DE CALCULO CLIENTE:

FOLHA:

1

de

20

ADEQUAÇÃO LOGÍSTICA LOGÍSTICA DA LUBNOR LUBNOR PARA PRODUÇÃO PRODUÇÃO DE NH-400

ÁREA:

LUBNOR

MC-5260.00-6320-941-TZB-003

LUBRIFICANTES LUBRIFICANTES E DERIVADOS DO NORDESTE

PROGRAMA:

TÍTULO:

Nº:

TRANSFERÊNCIA TRANSFERÊNCIA E ESTOCAGEM

MEMÓRIA DE CÁLCULO DAS SERPENTINAS DOS TANQUES F-230 E TQ-44601 – PROJETO BÁSICO

CORPORATIVA LUBNOR/EN

TSA - TECNOLOGIA DE SIST. DE AUTOMAÇÃO S/A - Contrato nº 1550.00811593.13.2 T-TA-0762E-MC0103_Rev. 0 MICROSOFT WORD97-2003/MC-5260.00-6320-941-TZB-003_0.doc RESP. TÉC: TATYANA BÁRBARA CREA 41.938/BA

ÍNDICE DE REVISÕES REV. 0

DESCRIÇÃO E/OU FOLHAS ATINGIDAS EMISSÃO ORIGINAL.

REV. 0 DATA PROJETO EXECUÇÃO VERIFICAÇÃO APROVAÇÃO

REV. A

REV. B

REV. C

REV. D

REV. E

REV. F

27/05/2013 TSA TATYANA EUDES DAVID

AS INFORMAÇÕES INFORMAÇÕES DESTE DOCUMENTO DOCUMENTO SÃO PROPRIEDADE PROPRIEDADE DA PETROBRAS, PETROBRAS, SENDO SENDO PROIBIDA A UTILIZAÇÃO FORA DA SUA FINALIDADE. FINALIDADE. FORMULÁRIO PERTENCENTE PERTENCENTE A PETROBRAS N-XXXX REV. X.

REV. G

REV. H

MEMÓRIA DE CALCULO ÁREA: TÍTULO:

Nº

REV.

MC-5260.00-6320-941-TZB-003

TRANSFERÊNCIA TRANSFERÊNCIA E ESTOCAGEM

FOLHA

2

de

0

20

MEMÓRIA DE CÁLCULO DAS SERPENTINAS DOS TANQUES F-230 E TQ-44601 PROJETO BÁSICO ÍNDICE

OBJETIVO............................................................................................................................3 DOCUMENTOS DE REFERÊNCIA.....................................................................................3 PREMISSAS E DADOS BÁSICOS.....................................................................................3 1.1 Dados de processo............................ processo................................................... .............................................. ................................................................3 .........................................3 NOMENCLATURA...............................................................................................................4 CÁLCULOS E RESULTADOS – TANQUE DE DNUP (F-230)...........................................5 1.2 Dados do tanque de DNUP...................................... DNUP............................................................. .............................................. .........................................5 ..................5 1.3 Fundo do tanque ............................................ .................................................................... ............................................... ........................................... ..........................5 ......5 1.4 Parede cilíndrica molhada.............................. molhada..................................................... .............................................. ..................................... ........................... .............66 1.5 Teto e parede não molhada................................. molhada........................................................ .............................................. ..............................................7 .......................7 1.6 Aquecimento do DNUP................................... DNUP.......................................................... .............................................. .................................................7 ..........................7 1.7 Perda de Calor total e Consumo de Vapor.................................... Vapor........................................................................... ..........................................8 ...8 1.8 Comprimento da serpentina............................. serpentina.................................................... .............................................. .................................................8 ..........................8 1.9 Verificação do tempo de aquecimento........................ aquecimento............................................... ........................................................ ...................................11 ..11 CÁLCULOS E RESULTADOS – TANQUE DE NH-400 (TQ-44601)...............................11 1.10 Dados do tanque de NH-400.................................... NH-400........................................................... .................................................... ....................................11 .......11 1.11 Fundo do tanque .............................................. ..................................................................... ................................................................... ............................................12 12 1.12 Parede cilíndrica molhada................................ molhada....................................................... .................................................................. ............................................12 .12 1.13 Teto e parede não molhada................................... molhada.......................................................... .............................................. ........................................13 .................13 1.14 Aquecimento do NH-400................................ NH-400....................................................... .............................................................. .............................................14 ......14 1.15 Perda de Calor Total e Consumo de Vapor................................... Vapor.........................................................................14 ......................................14 1.16 Comprimento da serpentina............................... serpentina...................................................... .............................................. ...........................................15 ....................15 1.17 Verificação do tempo de aquecimento.......................... aquecimento................................................. ................................................. ...............................17 .....17 CONCLUSÕES..................................................................................................................18 ANEXOS.............................................................................................................................18


Nº

REV.

MC-5260.00-6320-941-TZB-003 FOLHA

TRANSFERÊNCIA E ESTOCAGEM

3

de

0

20

MEMÓRIA DE CÁLCULO DAS SERPENTINAS DOS TANQUES F-230 E TQ-44601 PROJETO BÁSICO

OBJETIVO Este documento tem por objetivo apresentar o dimensionamento do sistema de aquecimento dos tanques de DNUP e NH-400 para manter os produtos armazenados a uma temperatura ótima para bombeamento dentro do escopo do Projeto de Adequação da Logística da LUBNOR para Produção de NH-400.

DOCUMENTOS DE REFERÊNCIA [2.1] – WUITHIER, Pierre. El Petroleo – Refino y tratamiento quimico, Vol II. Tradução por Gonzalez, M. A.; Arribas, G. A.; Rodriguez, A. H.; Domingues, J. M.; Arias, A. P.; Arias, S. P. Madrid: Ediciones Cepsa S/A, 1973. [2.2] – Memorial Descritivo – Adequação Logística da LUBNOR para Produção de NH400 – Projeto Conceitual. [2.3] – KERN, Donald Q. Procesos de transferencia de calor. Tradução por Ambrossi N. M. Cidade do México: Cecsa, 1999. [2.4] – CRANE. Flujo de fluidos en valvulas, accesorios y tuberías. Tradução por Valfisa S/A. Guadalajara: McGraw-Hill, 1977. [2.5] – DE-5260-6313-510-KFC-022_Rev. A – Tanque de Armazenamento OAF: F-230 – Conjunto Geral. [2.6] – F81/81-00 – Rev. 4 – Apresentação TQ-4601 e TQ-4602.

PREMISSAS E DADOS BÁSICOS 1.1

Dados de processo Condutividade do solo Condutividade do isolamento Temperatura ambiente Temperatura do solo Vapor disponível Entalpia de vaporização (@9,8barg) Velocidade do vento Temperatura do vapor

= C = T = T = P = v = VV = T = S

A

S

V

V

0,45 kcal / m.h.°C (*) 0,054 kcal/m.h.°C(**) 27,6 °C 27,6 °C 10 kgf/cm²g (saturado) 478,6 kcal/kg 28,8 km/h 183 °C

(*) – Dados obtidos da referencia. [2.2]; (**) – Adotado isolamento de silicato de cálcio. Foi considerado que o DNUP e o NH-400 possuem as mesmas propriedades, como é indicado nos cálculo que constam no anexo da ref. [2.2].


Nº


FOLHA


NOMENCLATURA H L H Aserp Ar Af AT AP QS QP QT c Q β ha hl h’ l hg U p U f U t U s Ls λ S λ p λ c λ g d 0 D

∆T T ∆T P ∆T S λ v e p ec R S M

REV.

MC-5260.00-6320-941-TZB-003

Altura do líquido [m]; Altura do tanque [m]; Área da serpentina [m²]; Área de troca térmica total equivalente [m²]; Área do fundo do tanque [m²]; Área do teto e parede não molhada [m²]; Área lateral molhada do tanque [m²]; Calor cedido ao solo [kcal/h]; Calor cedido pela parede [kcal/h]; Calor cedido pelo teto e parede não molhada [kcal/h]; Calor específico do produto [kcal/kg.ºC]; Calor trocado entre serpentina e líquido [kcal/hr]; Coeficiente de expansão [ºC -1]; Coeficiente de transferência de calor externo por convecção natural e radiação [kcal/h.m².ºC]; Coeficiente de transferência de calor por convecção [kcal/h.m².°C]; Coeficiente de transferência de calor por convecção entre a fase líquida e a gasosa [kcal/h.m².ºC]; Coeficiente de transferência de calor por convecção natural [kcal/h/m².ºC]; Coeficiente de transferência global da parede [kcal/h.m².°C]; Coeficiente de transferência global do solo [kcal / h.m².°C]; Coeficiente de transferência global pelo teto [kcal/h.m².°C]; Coeficiente global de troca térmica da serpentina [kcal/h.m2.°C]; Comprimento da serpentina [m]; Condutividade do solo [kcal/m.h.ºC]; Condutividade térmica do aço [kcal/h.m.ºC]; Condutividade térmica do isolamento [kcal/h.m.ºC]; Condutividade térmica da fase gasosa [kcal/h.m.ºC]; Diâmetro externo da serpentina [m]; Diâmetro do tanque [m]; Diferença de temperatura entre a fase gasosa e o ar [°C]; Diferença de temperatura entre o líquido e o ar [°C]; Diferença de temperatura entre o líquido e o solo [°C]; Entalpia de vaporização do vapor [kcal/kg]; Espessura da chapa da parede [m]; Espessura de isolamento [m] Fator de incrustação [h.m².°C / kcal]; Massa de produto armazenada no tanque [kg];

4

de

0

20


REV.

MC-5260.00-6320-941-TZB-003


FOLHA

5

de

0

20


Número de Grashof; Número de Prandtl; Somatório das condutividades dos materiais entre o líquido e o solo [kcal/h.m.°C] (*); Somatório das espessuras dos materiais entre o líquido no fundo do tanque e o solo [m] (*); Temperatura da parede do tanque [°C]; Temperatura da parede do tanque exterior ao isolamento [°C]; Temperatura do vapor [°C]; Tempo de aquecimento [h]; Vazão de vapor [kg/h]; Viscosidade cinemática do líquido [cSt];

Gr Pr λ e T P T C T v t

v m γ

(*)

Nº

Parâmetro desprezado, pois o próprio solo atua como isolante, devido à sua baixa condutividade térmica.

CÁLCULOS E RESULTADOS – TANQUE DE DNUP (F-230) 1.2

Dados do tanque de DNUP Viscosidade cinemática Diâmetro Altura do tanque Altura do líquido Temperatura do líquido

~ 40,6 cSt @ 90 º C D = 12,8 m H = 12,48 m H = 11,48 m = 90 °C L

T L

Notas: Considerado isolamento de 51mm de silicato de cálcio (apenas no costado). 1.3

Fundo do tanque Coeficiente de transmissão global é: 1 U f

=

1 hl

+ RS + ∑

e λ

+

D 4 ⋅ λ S

(Ref. [2.1], pág. 1427)

Adotado um fator de incrustação (Rs), nulo para esta avaliação por ser mais conservativo. Cálculo de h l : 1

 T L − T P  3 hl = 75 ⋅   γ    


Nº

REV.

MC-5260.00-6320-941-TZB-003


FOLHA

6

de

0

20


Considerando apenas a resistência externa do solo e resolvendo a equação para T P .   T − T  13   75 ⋅  L P   ⋅ (T − T ) = D ⋅ (T − T )   γ   L P 4 ⋅ λ S P S    T P = 81,4 °C De posse da temperatura da parede, pode-se calcular o hl , chegando a um valor de 44,7 kcal/m2.h.°C. Como todos os termos da equação do coeficiente global são conhecidos, calcula-se o coeficiente global de transferência de calor para o solo (U f ), que tem o valor de 0,140 kcal/h.m².°C. Utilizando a relação solo. 1.4

QS

= U f ⋅ A f ⋅ ∆T S chega-se ao valor de 1125,6 kcal/h cedido ao

Parede cilíndrica molhada Coeficiente de transmissão global: 1 U p

=

1 hl

+ RS +

ec

λ c

+

1 ha

(Ref. [2.1], pág. 1427)

Adotado um fator de incrustação (Rs), nulo para esta avaliação por ser mais conservativo. hl e ha dependem da temperatura da parede e da temperatura da parede exterior ao

isolamento respectivamente. Resolvendo a equação abaixo encontra-se os valores de T P e T C.

  T − T  13   75 ⋅  L P   ⋅ (T − T ) = λ c ⋅ (T − T ) = h ⋅ (T − T ) a C A   γ   L P ec P C    Onde ha = f(T C, T A, V v ) e pode ser obtido na referência [2.1], fig. V.10.10. Para ha = 44 kcal/h.m 2.ºC chega-se aos valores de 87,8 °C para a temperatura da parede e 29,0 °C para a temperatura exterior. Calculando hl = 28,36

kcal h.m 2 .º C

MEMÓRIA DE CALCULO ÁREA:

Nº

FOLHA


TÍTULO:

REV.

MC-5260.00-6320-941-TZB-003 7

de

0

20


Com todos os termos da equação do coeficiente global conhecidos, pode-se calcular o coeficiente global de transferência de calor pela parede (U p), que tem o valor de 1,00 kcal/h.m².°C Utilizando a relação Q P = U p ⋅ A P ⋅ ∆T P chega-se ao valor de 28.724 kcal/h cedido ao ambiente pelo costado. 1.5

Teto e parede não molhada Coeficiente 1 U t

=

1 ′

hl

+

de

H − H L

λ g

transmissão +

ec

λ c

+

1 h g

+

1 ha

global

pelo

teto

e

parede

não

molhada:

(Ref. [2.1], pág. 1428)

Desconsiderou-se o isolamento no costado para esta avaliação (por ser mais conservativo). Para: ha = 44 kcal/h.m².°C, H g ≈ 9kcal / h.m 2 .º C , hl ' = 2,8 ⋅ ( T L − T G ) = 50,4 kcal/h.m².ºC, T G ≈ 0,8 ⋅ T L ≈ 72º C , (Ref. [2.1] p. 1428), além de H-HL = 1,0 m, o coeficiente global de transferência de calor pelo teto e parede não molhada (U t) tem o valor de 0,0249 kcal/h.m².ºC. A perda de calor é calculada a partir da relação

QT

= U t ⋅ AT ⋅ ∆T T

Efetuando-se este cálculo chega-se ao valor, para a perda de calor cedida pelo teto e parede não molhada, de 186,8 kcal/h. 1.6

Aquecimento do DNUP Considerando que o DNUP deverá ser aquecido de 30 ºC para 90 ºC. A serpentina deverá ceder calor suficiente para que o DNUP atinja a temperatura de 90 °C em um tempo de aquecimento estimado de 168 h (7 dias), conforme ref[2.2]. A quantidade de calor requerida é calculada a partir da equação abaixo: V ⋅ ρ ⋅ c ⋅ (T L − T E ) Qr =

tr

=

220.295 kcal / h

Onde: Qr Calor cedido ao DNUP, kcal/h T L

Temperatura final do DNUP no tanque

90ºC;


Nº


TÍTULO:

REV.

MC-5260.00-6320-941-TZB-003 FOLHA

8

de

0

20


V

Massa específica do DNUP c Calor específico do DNUP Volume útil do tanque

T R

Temperatura inicial do DNUP

tr

Tempo de aquecimento do tanque

ρ

928,3 kg/m³ Ref. [2.2]; 0,45 kcal/kg.°C Ref. [2.2]; 1477 m³ 30ºC 168h

Efetuando-se este cálculo chega-se ao valor, para a perda de calor cedida à corrente de retorno, de 220.295 kcal/h. 1.7

Perda de Calor total e Consumo de Vapor A soma de todas as perdas de calor no tanque será igual ao calor que a serpentina deverá repor. qa = qt + q p + q s + qr = 250.332 kcal / h Consumo de vapor pelo tanque:  = m

1.8

qa

λ V

= 523 kg / h

Comprimento da serpentina Comprimento da serpentina:  v ⋅ λ v Q=m

Onde:

Q

= U S ⋅ π ⋅ d 0 ⋅ L s ⋅ ( T v − T L ) = U P ⋅ Ar ⋅ ( T L − T a )

(Ref. [2.1], pág. 1429).

Calor trocado entre serpentina e líquido [kcal/hr];  v Vazão de vapor [kg/h]; m λ v U s d 0 Ls T v Ar

Entalpia de vaporização do vapor [kcal/kg]; Coeficiente global de troca térmica da serpentina [kcal/h.m 2.°C]; Diâmetro externo da serpentina [m]; Comprimento da serpentina [m]; Temperatura do vapor [°C]; Área de troca térmica total equivalente [m²];

Coeficiente global de troca térmica da serpentina: 1 U s

=

1 U C

+ R s (Ref. [2.1], pág. 1429),


Nº

FOLHA


TÍTULO:

REV.

MC-5260.00-6320-941-TZB-003 9

de

0

20

MEMÓRIA DE CÁLCULO DAS SERPENTINAS DOS TANQUES F-230 E TQ-44601 PROJETO BÁSICO ho =

Grashof:

Gr =

Prandtl:

Pr =

0,47 ⋅ ( Gr ⋅ Pr )

µ 2 k

⋅ k

d o

d 3 ⋅ ρ 2 ⋅ g ⋅ β ⋅ ∆T c ⋅ µ

0 , 25

(Ref. [2.1], pág. 1429).

,

.

Onde: Diâmetro externo da serpentina Massa específica do DNUP ρ

d

0,0483 m (1 ½ pol.); 928,3 kg/m³

Ref.

[2.2]; Aceleração da gravidade 9,81 m/s²; Coeficiente de expansão do DNUP 0,00071 °C -1 β μ Viscosidade dinâmica do DNUP 0,038 kg/m.s c Calor específico do DNUP 0,45 kcal/kg.°C k Condutividade térmica do DNUP 0,11 kcal/m.h.°C hio Coeficiente de película 7500 kcal/m 2.h.°C g

(*) Conforme e-mail enviado à Petrobras em 22/05/2013, ver anexo. (**) Obtido através de interpolação de dados presentes nas ref. [2.2]. Desenvolvendo: - Gr =

- Pr =

0,04833 ⋅ 928,32 ⋅ 9,81 ⋅ 0,00071⋅ (183 − 90 ) 0,038 2 0,45 ⋅ 0,038 ⋅ 3600 0,11

Portanto ho =

RS

= 0,002

= 555,22

0,47 ⋅ ( 44381 ⋅ 555,22) 0 , 25 ⋅ 0,11 0,0483

Sabendo que Uc =

h ⋅ m2

hio ⋅ ho hio + ho

⋅ °C

kcal

= 44.381

=

7500 ⋅ 75,4 7500 + 75,4

= 75,4

= 74,66

kcal m

2

⋅ h ⋅ °C

kcal 2

m ⋅ h ⋅ °C

(adotado, Ref. [2.1] – pág. 1073)

(*); Ref. [2.2] (**); Ref. [2.2]; Ref. [2.2]; Ref. [2.1];


Nº

REV.

MC-5260.00-6320-941-TZB-003


FOLHA

10

de

0

20

TÍTULO:

MEMÓRIA DE CÁLCULO DAS SERPENTINAS DOS TANQUES F-230 E TQ-44601 PROJETO BÁSICO Uc ⋅ 1 74,66 ⋅ 500 RS kcal = = 64,96 Tem-se U s = 2 74,66 + 500 h ⋅ m ⋅ ° C U c + 1 RS

Calculando o comprimento através da equação de transferência de calor: L

=

Q U S ⋅ ∆T ⋅ π ⋅ D

= 271,9 m

Aserp = π.do.Lmax = 41,3 m2 (requerido). Análise da viabilidade de instalação da serpentina no tanque de DNUP:

Considerando d = 12,8 m, a distância “a” vale 9,05 m.

Considerando o arranjo acima com o diâmetro externo do tubo do=48,3 mm pode-se considerar que cada “passe” ocupa 3.do ou 0,1449 m. Então, no quadrado circunscrito poderão ser utilizados a/3.do passes ou 62 passes. Cada passe terá o comprimento de “a”, ou seja, 9,05 m totalizando para 62 passes um comprimento de 561 m (área total disponível = 561 x π x 0,0483 = 85,1 m²). Como a área disponível é maior que a área calculada, é viável a instalação da serpentina conforme o arranjo sugerido.


1.9

Nº

REV.

MC-5260.00-6320-941-TZB-003


FOLHA

11

de

0

20


Verificação do tempo de aquecimento Considerando a instalação de uma serpentina cuja área é igual 85,1 m², calcula-se o tempo de aquecimento conforme equação abaixo: Área de troca térmica total equivalente Ar

=

U f U p

⋅ A f +

U t ⋅ At + A p U p

= 483,7 m 2 (ref. [2.1], pag. 1428)

Tempo de aquecimento t =

M ⋅ c  t 2 − t 1 + 20  = 145,2h ln   U s ⋅ A serp + U p ⋅ A p  20 

(ref. [2.1], pag. 1430)

Portanto a instalação de uma serpentina de 85,1 m² (área disponível de acordo com o arranjo sugerido) atende ao tempo de aquecimento que é de 168 h. Nota: Refazendo os cálculos para a área mínima requerida (41,3 m²), o cálculo do tempo de aquecimento resulta em 270,4 h. Como esse tempo é superior ao tempo estabelecido para o aquecimento, fica inviabilizada a instalação de uma serpentina com esta área.

CÁLCULOS E RESULTADOS – TANQUE DE NH-400 (TQ-44601) 1.10 Dados do tanque de NH-400 Viscosidade cinemática Diâmetro Altura do tanque Altura do líquido Temperatura do líquido

~ 80,0 cSt @ 70 º C D = 21,7 m H = 14,63 m H = 13,63 m = 70 °C L

T L


Nº

REV.

MC-5260.00-6320-941-TZB-003


FOLHA

12

de

0

20


Notas: Considerado isolamento de 51 mm de silicato de cálcio (apenas no costado). A altura do líquido adotada, H L, foi encontrada partindo-se da premissa de que o nível máximo do líquido encontra-se a 1 m da altura do tanque. Esta premissa deverá ser confirmada no detalhamento. 1.11 Fundo do tanque Coeficiente de transmissão global é: 1 U f

=

1 hl

+ RS + ∑

e λ

+

D 4 ⋅ λ S

(Ref. [2.1], pág. 1427)

Adotado um fator de incrustação (Rs), nulo para esta avaliação por ser mais conservativo. Cálculo de hl: 1

 T L − T P  3 hl = 75 ⋅   γ     Considerando apenas a resistência externa do solo e resolvendo a equação para T P .   T − T  13   75 ⋅  L P   ⋅ (T − T ) = D ⋅ (T − T ) L P P S   γ  4 ⋅ λ S     T P = 59,75 °C

De posse da temperatura da parede, pode-se calcular o hl , chegando a um valor de 37,8 kcal/m2.h.°C. Como todos os termos da equação do coeficiente global são conhecidos, calcula-se o coeficiente global de transferência de calor para o solo (U f ), que tem o valor de 0,083 kcal/h.m².°C. Utilizando a relação solo.

QS

= U f ⋅ A f ⋅ ∆T S

chega-se ao valor de 1298,7 kcal/h cedido ao

1.12 Parede cilíndrica molhada Coeficiente de transmissão global: 1 U p

=

1 hl

+ RS +

ec

λ c

+

1 ha

(Ref. [2.1], pág. 1427)


Nº

FOLHA


TÍTULO:

REV.

MC-5260.00-6320-941-TZB-003 13

de

0

20


Adotado um fator de incrustação (Rs), nulo para esta avaliação por ser mais conservativo. hl e ha dependem da temperatura da parede e da temperatura da parede exterior ao

isolamento respectivamente. Resolvendo a equação abaixo encontra-se os valores de T P e T C.

  T − T  13   75 ⋅  L P   ⋅ (T − T ) = λ c ⋅ (T − T ) = h ⋅ (T − T ) a C A   γ   L P ec P C    Onde ha = f(T C, T A, V v ) e pode ser obtido na referência [2.1], fig. V.10.10. Para ha = 42,5 kcal/h.m2.ºC chega-se aos valores de 68,1 °C para a temperatura da parede e 28,6 °C para a temperatura exterior. Calculando hl = 21,67

kcal h.m 2 .º C

Com todos os termos da equação do coeficiente global conhecidos, pode-se calcular o coeficiente global de transferência de calor pela parede (U p), que tem o valor de 0,99 kcal/h.m².°C Utilizando a relação Q P = U p ⋅ A P ⋅ ∆T P chega-se ao valor de 38.874 kcal/h cedido ao ambiente pelo costado. 1.13 Teto e parede não molhada Coeficiente 1 U t

=

1 ′

hl

+

de

H − H L

λ g

transmissão +

ec

λ c

+

1 h g

+

1 ha

global

pelo

teto

e

parede

não

molhada:

(Ref. [2.1], pág. 1428)

Desconsiderou-se o isolamento no costado para esta avaliação (por ser mais conservativo). Para: ha = 42,5 kcal/h.m².°C, H g ≈ 9kcal / h.m 2 .º C , hl ' = 2,8 ⋅ ( T L − T G ) = 39,2 kcal/h.m².ºC, T G ≈ 0,8 ⋅ T L ≈ 56º C , (Ref. [2.1] p. 1428 ), além de H-HL = 1,0 m, o coeficiente global de transferência de calor pelo teto e parede não molhada (U t) tem o valor de 0,0249 kcal/h.m².ºC.


Nº

REV.

MC-5260.00-6320-941-TZB-003


FOLHA

14

de

0

20

TÍTULO:

MEMÓRIA DE CÁLCULO DAS SERPENTINAS DOS TANQUES F-230 E TQ-44601 PROJETO BÁSICO A perda de calor é calculada a partir da relação QT = U t ⋅ AT ⋅ ∆T T Efetuando-se este cálculo chega-se ao valor, para a perda de calor cedida pelo teto e parede não molhada, de 310,1 kcal/h. 1.14 Aquecimento do NH-400 Considerando que o NH-400 deverá ser aquecido de 30 ºC para 70 ºC. A serpentina deverá ceder calor suficiente para que o NH-400 atinja a temperatura de 70 °C em um tempo de aquecimento estimado de 168 h (7 dias), conforme ref[2.2]. A quantidade de calor requerida é calculada a partir da equação abaixo: Qr =

V ⋅ ρ ⋅ c ⋅ (T L − T E ) tr

= 502.015

kcal / h

Onde: Qr Calor cedido ao NH-400, kcal/h T L

Temperatura final do NH-400 no tanque

70ºC;

V

Massa específica do NH-400 c Calor específico do NH-400 Volume útil do tanque

928,3 kg/m³ Ref. [2.2]; 0,45 kcal/kg.°C Ref. [2.2]; 5047,4 m³

T R

Temperatura inicial do NH-400

30 ºC

tr

Tempo de aquecimento do tanque

168 h

ρ

Efetuando-se este cálculo chega-se ao valor, para a perda de calor cedida à corrente de retorno, de 502.015 kcal/h. 1.15 Perda de Calor Total e Consumo de Vapor A soma de todas as perdas de calor no tanque será igual ao calor que a serpentina deverá repor. qa = qt + q p + q s + qr = 542.498 kcal / h Consumo de vapor pelo tanque:

 = m

qa λ V

= 1.133,5 kg / h


Nº

REV.

MC-5260.00-6320-941-TZB-003


FOLHA

15

de

0

20

TÍTULO:

MEMÓRIA DE CÁLCULO DAS SERPENTINAS DOS TANQUES F-230 E TQ-44601 PROJETO BÁSICO 1.16 Comprimento da serpentina Comprimento da serpentina:  v ⋅ λ v Q=m

Onde:

= U S ⋅ π ⋅ d 0 ⋅ L s ⋅ ( T v − T L ) = U P ⋅ Ar ⋅ ( T L − T a )

(Ref. [2.1], pág. 1429).

Calor trocado entre serpentina e líquido [kcal/hr];  v Vazão de vapor [kg/h]; m

Q

Entalpia de vaporização do vapor [kcal/kg]; Coeficiente global de troca térmica da serpentina [kcal/h.m 2.°C]; Diâmetro externo da serpentina [m]; Comprimento da serpentina [m]; Temperatura do vapor [°C]; Área de troca térmica total equivalente [m²];

λ v U s d 0 Ls T v Ar

Coeficiente global de troca térmica da serpentina: 1 U s

ho =

Grashof:

Gr =

Prandtl:

Pr =

=

1 U C

0,47 ⋅ ( Gr ⋅ Pr )

d 3 ⋅ ρ 2 ⋅ g ⋅ β ⋅ ∆T

µ 2 c ⋅ µ k

+ R s (Ref. [2.1], pág. 1429),

d o

0 , 25

⋅ k

(Ref. [2.1], pág. 1429).

,

.

Onde: d

Diâmetro externo da serpentina Massa específica do NH-400 ρ

0,0483 m (1 ½ pol.); 928,3 kg/m³

Ref.

[2.2]; Aceleração da gravidade 9,81 m/s²; Coeficiente de expansão do NH-400 0,00071 °C -1 β μ Viscosidade dinâmica do NH-400 0,074 kg/m.s c Calor específico do NH-400 0,45 kcal/kg.°C k Condutividade térmica do NH-400 0,11 kcal/m.h.°C hio Coeficiente de película 7500 kcal/m 2.h.°C g

(*) Conforme e-mail enviado à Petrobras em 22/05/2013, ver anexo. (**) Obtido através de interpolação de dados presentes nas ref. [2].

(*); Ref. [2.2] (**); Ref. [2.2]; Ref. [2.2]; Ref. [2.1];


Nº


TÍTULO:

FOLHA


Desenvolvendo: 0,0483 ⋅ 928,3 3

- Gr =

- Pr =

⋅ 9,81 ⋅ 0,00071⋅ (183 − 70 ) 0,074 2

0,45 ⋅ 0,074 ⋅ 3600 0,11

Portanto ho =

0,0483

hio ⋅ ho hio + ho

2 = 0,002 h ⋅ m ⋅ °C

kcal

Tem-se U s =

Uc ⋅ 1 RS U c

+ 1

RS

= 13.873

=1.094

0,47 ⋅ (13873 ⋅1094 ) 0, 25 ⋅ 0,11

Sabendo que Uc =

RS

2

=

7500 ⋅ 66,8 7500 + 66,8

kcal

= 66,8

m

= 66,22

⋅ h ⋅ °C

2

kcal 2

m ⋅ h ⋅ °C

(adotado, Ref. [2.1] – pág. 1073)

=

66,22 ⋅ 500 66,22 + 500

= 58,48

kcal h⋅ m

2

⋅ ° C

Calculando o comprimento através da equação de transferência de calor: L

=

Q U S ⋅ ∆T ⋅ π ⋅ D

REV.

MC-5260.00-6320-941-TZB-003

= 539,1m

Aserp = π.do.Lmax = 81,8 m2 (requerido). Análise da viabilidade de instalação da serpentina no tanque de NH-400:

16

de

0

20


Nº

REV.

MC-5260.00-6320-941-TZB-003


FOLHA

17

de

0

20


Considerando d = 21,7 m, a distância “a” vale 15,35 m.

Considerando o arranjo acima com o diâmetro externo do tubo do=48,3 mm pode-se considerar que cada “passe” ocupa 3.do ou 0,1449 m. Então, no quadrado circunscrito poderão ser utilizados a/3.do passes ou 105 passes. Cada passe terá o comprimento de “a”, ou seja, 15,35 m totalizando para 105 passes um comprimento de 1612 m (área total disponível = 1612 x π x 0,0483 = 244,6 m²). Como a área disponível é maior que a área calculada, é viável a instalação da serpentina conforme o arranjo sugerido. 1.17 Verificação do tempo de aquecimento Considerando a instalação de uma serpentina cuja área é igual 244,6 m², calcula-se o tempo de aquecimento conforme equação abaixo: Área de troca térmica total equivalente Ar

=

U f U p

⋅ A f +

U t ⋅ At + A p U p

= 971,9m 2 (ref. [2.1], pag. 1428)

Tempo de aquecimento t =

M ⋅ c  t 2 − t 1 + 20  = 151,8h ln   U s ⋅ A serp + U p ⋅ A p  20 

(ref. [2.1], pag. 1430)

Portanto a instalação de uma serpentina de 244,6 m² (área disponível de acordo com o arranjo sugerido) atende ao tempo de aquecimento que é de 168 h. Nota: Refazendo os cálculos para a área mínima requerida (81,8 m²), o cálculo do tempo de aquecimento resulta em 403 h. Como esse tempo é superior ao tempo estabelecido para o aquecimento, fica inviabilizada a instalação de uma serpentina com esta área.


Nº

FOLHA


TÍTULO:

REV.

MC-5260.00-6320-941-TZB-003 18

de

0

20


CONCLUSÕES O resumo dos cálculos efetuados encontra-se na tabela a seguir:

Calor total perdido [kcal/h]

Tanque de DNUP 250.332

Tanque de NH-400 542.498

Vazão total req. de vapor [kg/h]

523 (*)

1134 (**)

Vazão req. de vapor para aquecimento [kg/h]

460

1049

Área req. da serpentina [m2]

41,3

81,8

Área adotada da serpentina [m²]

85,1

244,6

Dn /Comprimento da serpentina [m]

1 ½” / 561

1 ½” / 1612

Os cálculos presente nesta memória são preliminares e deverão ser confirmados no detalhamento, assim como as premissas aqui adotadas e o arranjo sugerido das serpentinas. (*) A área adotada para a serpentina permite um consumo máximo de vapor de 1080 kg/h para o tanque de DNUP. (**) A área adotada para a serpentina permite um consumo máximo de vapor de 3390 kg/h para o tanque de NH-400.

ANEXOS


Nº

REV.

MC-5260.00-6320-941-TZB-003



FOLHA

19

de

0

20


Nº

REV.

MC-5260.00-6320-941-TZB-003



FOLHA

20

de

0

20

Serpentina Para Tanque Memorial de Calculo

Recommend Documents