Universidade Federal do Maranhão Departamento de Tecnologia Química Fenômenos de Transporte II Aluno: Ricardo Henrique Nascimento Frazão – 2009002921
Dimensionamento de trocadores de calor casco e tubo
São Luís 2013 1
Sumário
Introdução Objetivos Fundamentação teórica Conclusão Bibliografia
3 4 5 15 16
2
Introdução
Trocador de calor constitui-se em um dispositivo usado para realizar um processo da troca térmica na qual estão envolvidos dois fluidos com suas diferentes temperaturas. Esse processo é bastante comum nas muitas aplicações da engenharia. Desta maneira podemos utilizá-los no aquecimento e resfriamento de ambientes, no processo de condicionamento de ar, na produção de energia, e na recuperação de calor e também no processo químico. Dentre os trocadores de calor temos os trocadores do tipo casco e tubo, que serão o alvo desse estudo no trabalho apresentado, e apesar de sua grande aplicabilidade não apresentam a precisão desejada conforme os fluidos, o método e as condições empregadas, sendo que os erros podem chegar ordem de centenas por cento, principalmente para perda de carga e escoamento laminar.
3
Objetivos
Com esta pesquisa tem-se como alvo o dimensionamento de trocadores calor de casco e tubo, e utilizar-se-á o método de KERN, o mais tradicional de todos os métodos e se encontra no livro “Process Heat Transfer”.
4
Fundamentação teórica
O método de KERN tem fácil aplicação, e possui êxito com modelos de trocadores de calor casco e tubos com algumas restrições, apresenta pouca precisão, o que se torna mais complicado quanto mais o escoamento do fluido situa-se em regime laminar, o qual necessita de um tratamento bem mais sofisticado. Para o projeto de trocadores de calor o primeiro passo, antes do dimensionamento termo hidráulico, é o estabelecimento dos requisito a serem obedecidos pela unidade, levando em consideração as informações já vistas em outros trocadores.
1 – Transferência de calor o Especificação dos fluidos o Especificação das temperaturas o Vazão dos fluidos o Formação de depósito 2 – Perda de carga A perda de carga nos tubos e no casco deve obedecer certo limites, procurando sempre o melhor desempenho no que diz respeito a troca de calor, utilizando toda perda de carga disponível. 5
3 – restrições quanto ao tamanho Continuamente há restrições quanto ao tamanho, altura, largura, volume ou peso de um trocador de calor. Essas restrições podem ser tanto no que diz respeito ao padrão pré-estabelecido bem como visando sua melhor e mais fácil manutenção. Por exemplo, pode ocorrer que o trocador seja projetado com o feixe apresentando facilidade de sua remoção, para haver espaço para a operação. 4 – Outras considerações o o o o o
Expansão térmica Quanto ao material Sobre a hermeticidade Quanto à manutenção Sobre custos
5 – Especificação sobre dimensões e tipo do trocador calor Como já dito anteriormente, a especificação preliminar para um trocador de calor é dimensiona-lo tendo em vista trocadores já existentes, visto que os mesmo tenham apresentado resultados satisfatórios em aplicações, observando também os fluidos utilizados neles. Assim, feito essa etapa, podese partir para o dimensionamento termo hidráulico.
Em resumo, a correlação para transferência de calor é baseada na área de fluxo como sendo a média entre a área de fluxo cruzado, dentro do diâmetro interno do casco, e a área de fluxo longitudinal na janela do defletor, a perda de carga vem considerar os efeitos da janela do defletor, os dados iniciais requeridos para projetar o trocador de calor são mínimos e, portanto, é conveniente para estimativas rápidas.
6 - Método de cálculo
Existem vários métodos para o dimensionamento de trocadores calor, uma parte disponível na literatura técnica aberta, quanto outros, que são mais sofisticados, geralmente aplicados em programas de computador, são detidos por empresas através de contratos envolvendo fins lucrativos. Dentre os métodos, temos três principais: KERN, BELL e TINKER. A seguir, vamos estudar o método de KERN.
6
MÉTODO KERN
CÁLCULO DE TROCADORES DE CALOR CASCO E TUBOS
Para este método realiza-se uma análise sobre o fluido do casco do trocador por meio de defletores acoplados pelo trocador calor, garantindo uma melhor a análise sobre um feixe de tubos quanto a idealidade. Porém, essa análise não leva em consideração os efeitos das correntes, que se desenvolvem devido ao vazamentos e bypass através de algumas folgas existentes no trocador, sobre a transferência de calor e perda de carga, conduzindo a um estudo aproximado. Este é um método de fácil aplicação, sendo bem sucedido com modelos de trocadores de calor casco e tubos com restrições usuais, porém apresenta pouca precisão no que diz respeito ao escoamento do fluido, situando-se assim em regime laminar, o qual necessita de um tratamento bem mais avançado.
Deste método pode-se destaca alguns pontos como importantes 1) A correlação para transferência de calor é baseada na área de fluxo como sendo a média entre a área de fluxo cruzado, dentro do diâmetro interno do casco, e a área de fluxo longitudinal na janela do defletor. 2) A perda de carga considera os efeitos da janela do defletor 3) Os dados iniciais requeridos para projetar o trocador de calor são mínimos e, portanto, é conveniente para estimativas rápidas.
Para esse método tem-se basicamente dois procedimentos de cálculo para o projeto termo - hidráulico de trocadores de calor tipo casco e tubos: a) Verificação: procedimento para verificação de um trocador existente que se deseja utilizar sob condições diferentes b) Projeto: procedimento para um trocador novo.
O tratamento de cálculo termo - hidráulico é bastante similar no lado do casco e no lado dos tubos, para isso utiliza-se tabelas, gráficos e correlações para determinar os principais parâmetros necessários para o dimensionamento. 7
ROTEIRO PARA O CÁLCULO Calculando as temperaturas calóricas dos fluidos: Em trocadores de calor líquido-líquido, o fluido quente possui um viscosidade na entrada que aumenta à medida que ele vai esfriando. Os valores dos coeficientes de película para o lado do casco (h0) e do coeficiente de película do lado dos tubos (hi) variam através do comprimento do trocador e produzem um coeficiente global de calor (U) maior no terminal quente (T1 – T2) do que no terminal frio (T2 – T1). Logo temo que par o cálculo das temperaturas calóricas: Para o fluido quente:
Para o fluido frio:
A fração de temperatura calórica Fc é:
Cálculo para Kc:
Uq e Uf são os coeficientes globais de troca de calor no terminal frio e quente respectivamente. Δtq e Δtf são a diferença de temperaturas no terminal, quente e frio, respectivamente.
8
Chicanas Quando chicanas são usadas para direcionar o fluido do lado do casco de feixe de tubos, o coeficientes de película é maior do que o fluxo ecoando ao longo do eixo dos tubos. Tornando-se trocadores com o mesmo comprimento de feixe de tubos, mas com números diferente de chicanas e por isso com espaçamentos menores entre si, apresentaram maior turbulência e que acarreta um maior coeficiente de película. O espaçamento recomendado por KERN é: (1/5 d1) até no máximo d1.
Arranjo dos tubos
O tipo de arranjo dos tubos influencia no coeficiente de película, tendose verificado que sob condições comparáveis de fluxo e dimensão dos tubos, os coeficientes para o arranjo triangular são aproximadamente 25% maiores que para o arranjo quadrado.
Cálculo de fluxo de massa para escoamento do lado do casco
Área do fluxo cruzado
Fluxo mássico
Onde Ws é a vazão em massa do fluido do lado do casco
9
Diâmetro do lado do casco
Fator de troca de calor para o lado do casco
Número de REYNOLDS
Correção dos efeitos de viscosidade
10
Perda de carga para o escoamento do lado do casco
11
Exemplo da utilização do método de KERN utilizando um software:
Estudo do caso tirado do livro: Processo de transferência de calor D.Q. Kern
12
Colocando o software para rodar os dados temos:
13
14
Conclusão Podemos notar que o método de Kern para dimensionamento de trocadores de calor, tem fácil aplicação, e possui êxito com modelos de trocadores de calor casco e tubos porem as suas restrições o deixa como um método não interessante do ponto de vista precisão.
15
Referência bibliográficas
o Process Heat Transfer – Donald KERN. o Projeto de Trocadores de calor -Departamento de Engenharia Química/Centro de Tecnologia/Universidade Estadual de Maringá.
o Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Seminário do programa de pós- graduação em engenharia química.
16
