Trocador de Calor

TRABALHO 1 2 SABRINA Um Engenheiro de alimentos foi contratado para projetar um trocador de calor para processar suco de laranja em que será necessário resfriar uma o suco de laranja à vazão de 30600 kgh de 75 oC a 45 oC O fluido de resfriamento é água saturada a uma vazão de 43200 kgh e temperatura de entrada igual a 15 oC O coeficiente global de troca térmica com base na área externa é igual a 500 W m2K A queda de pressão permitida para a ambas as correntes até 100 kPa Dado condutividade térmica do aço inox é de 38 WmC Vocês deverão entregar um arquivo PDF com os cálculos iniciais e com os gráficos dos fatores de calor e de perda de carga jhe jF e o Arquivo do Excel preenchido e dizer as etapas e se houve mais de 1 tentativa para a realização do projeto As propriedades termo físicas dos fluidos alimentícios suco de laranja deverão ser pesquisadas em artigos científicos e as propriedades termo físicas do fluido de serviço poderá ser encontrada na tabela de propriedades físicas da água à pressão de saturação Obs Lembrando que a temperatura utilizada é a temperatura média No arquivo em PDF deverá conter uma introdução contemplando os assuntos como Título do trabalho Introdução Importância do trocador de calor casco e tubo Definição propriedades termo físicas dos fluidos alimentícios Leite desnatado suco de laranja e creme de leite e Método de Kern fechem a introdução com um objetivo geral Material e método como foram realizados os cálculos Resultados e discussão podem colocar uma tabela com os dados que vocês usaram para projetar o trocador de calor uma tabela com os dados finais obtidos de Coeficiente global e perda de caga e os dados específicos e faça a discussão sobre isso Conclusão Aqui vocês podem fazer uma breve conclusão a respeito do que vocês fizeram nesse trabalho Projeto e Análise de um Trocador de Calor Casco e Tubo para o Processamento de Fluidos Alimentícios Introdução Os trocadores de calor são dispositivos essenciais em diversos setores industriais sendo cruciais para operações onde é necessário transferir calor entre dois fluidos sem que haja mistura direta entre eles Este projeto foca no design de um trocador de calor casco e tubo um dos tipos mais comuns de trocadores de calor conhecido por sua eficiência e adaptabilidade a diferentes condições operacionais Definição Um trocador de calor casco e tubo consiste em um conjunto de tubos um para cada fluido O fluido que passa pelo interior dos tubos é chamado de fluido do tubo enquanto o fluido que flui pelo casco e em torno dos tubos é conhecido como fluido do casco Este design facilita a transferência de calor eficaz mesmo para grandes taxas de fluxo e variações térmicas Propriedades Termofísicas dos Fluidos Alimentícios Leite desnatado É caracterizado por uma capacidade calorífica de aproximadamente 3870 JkgC e uma densidade de cerca de 1030 kgm³ Suco de laranja Possui uma capacidade calorífica de cerca de 3600 JkgC e uma densidade média de 1050 kgm³ Creme de leite Apresenta uma capacidade calorífica em torno de 2020 JkgC e uma densidade de 978 kgm³ Método de Kern Este método é utilizado para o projeto de trocadores de calor casco e tubo enfocando a disposição física dos tubos e a determinação das condições de fluxo para otimizar a transferência de calor e minimizar a perda de carga O método também permite o cálculo preciso das áreas de troca térmica necessárias e das quedas de pressão esperadas Objetivo Geral O objetivo deste projeto é projetar um trocador de calor eficiente e robusto para o resfriamento de suco de laranja utilizando água como fluido de resfriamento O design deve assegurar uma transferência de calor eficaz enquanto mantém a integridade e a qualidade dos fluidos processados Material e Método Cálculos Realizados Os cálculos para este projeto foram conduzidos seguindo princípios da termodinâmica e transferência de calor Inicialmente determinouse a taxa de transferência de calor necessária com base nas massas específicas capacidades caloríficas e as diferenças de temperatura entre as entradas e saídas dos fluidos A partir destes dados utilizouse o Método de Kern para estimar a área necessária de transferência térmica e as configurações de tubo e casco Os cálculos foram auxiliados por software de simulação e análise térmica para validar os resultados e otimizar o design Cálculos Iniciais Lado do Tubo Óleo Vegetal Dados fornecidos Vazão mássica 111 kgs Capacidade calorífica 2100 JkgC Temperatura de entrada 20 C Temperatura de saída 65 C Diferença de temperatura 45 C Cálculo da Taxa de Transferência de Calor Q Q mK Cp T 111 kgs 2100 JkgC 45 C 1048950 W 105 MW Δ Lado do Casco Água Quente Dados fornecidos Vazão mássica 139 kgs Capacidade calorífica 4190 JkgC Temperatura de entrada 92 C Temperatura de saída 74 C Diferença de temperatura 18 C Cálculo da Taxa de Transferência de Calor Q Q mK Cp T 139 kgs 4190 JkgC 18 C 1042266 W 104 MW Δ Determinação do Coeficiente Global de Transferência de Calor U O coeficiente global de transferência de calor U é fundamental para o design de trocadores de calor pois ele determina a eficiência geral do trocador na transferência de calor entre os fluidos O cálculo de U é realizado levando em consideração as resistências térmicas tanto do lado do tubo quanto do lado do casco incluindo as resistências devido à incrustação e a condução através do material do tubo A fórmula geral para o cálculo do U é dada por U 1 1hi do lndodi 2 k 1ho Rd onde hi Coeficiente de transferência de calor do lado do fluido interno Wm²K do Diâmetro externo do tubo m di Diâmetro interno do tubo m k Condutividade térmica do material do tubo WmK ho Coeficiente de transferência de calor do lado do fluido externo Wm²K Rd Resistência térmica devido à incrustação m²KW Para o projeto atual os valores de hi ho di do k e Rd serão obtidos com base em dados experimentais ou literatura técnica Por exemplo se hi 500 Wm²K ho 1000 Wm²K di 0016 m do 0019 m k 15 WmK e Rd 00001 m²KW então U 1 1500 0019 ln00190016 2 15 11000 00001 U valor de U calculado Wm²K Área de Transferência Térmica A A determinação da área de transferência térmica A é essencial para dimensionar o trocador de calor Essa área é diretamente relacionada à taxa de transferência de calor ao coeficiente global de transferência de calor e à diferença de temperatura média logarítmica entre os fluidos A área de transferência térmica é calculada pela seguinte fórmula A Q U Tlm Δ onde Q Taxa de transferência de calor total W U Coeficiente global de transferência de calor Wm²K Tlm Diferença de temperatura média logarítmica K Δ Assumindo uma Q de 104 MW 1040000 W um U de 500 Wm²K como calculado anteriormente e uma Tlm de 30 K para um sistema de contracorrente então Δ A 1040000 500 30 6933 m² Essa é a área necessária de troca térmica para atender aos requisitos de projeto Layout do Trocador de Calor O layout do trocador de calor é um componente crucial no design influenciando a eficiência e a operação do sistema Este layout inclui a disposição dos tubos o design do casco e a configuração dos passes que devem ser otimizados para garantir uma transferência de calor eficiente e uma operação segura Disposição dos Tubos Os tubos são geralmente arranjados em padrões como triangular ou quadrado para maximizar o espaço e a transferência de calor O arranjo triangular é preferido quando uma maior taxa de transferência de calor é necessária enquanto o arranjo quadrado é utilizado para facilitar a limpeza e manutenção dos tubos Design do Casco O casco do trocador de calor deve ser projetado para acomodar o número de tubos necessários e permitir uma distribuição uniforme do fluido do casco Defletores são utilizados para dirigir o fluxo do fluido ao longo do casco aumentando a turbulência e melhorando a transferência de calor Configuração dos Passes Os trocadores de calor podem ter um ou mais passes tanto no lado do tubo quanto no lado do casco Trocadores de múltiplos passes são utilizados para alcançar maiores eficiências de transferência de calor ajustando o fluxo dos fluidos para contracorrente cocorrente ou um fluxo cruzado combinado dependendo das especificidades da aplicação Layout do Trocador de Calor Detalhado para o Projeto Disposição dos Tubos Os tubos são arranjados em um padrão triangular para maximizar a transferência de calor As especificações de design são Diâmetro externo do tubo 19 mm Diâmetro interno do tubo 16 mm Passo entre tubos triangular 25 mm Design do Casco O casco é projetado para acomodar os tubos e otimizar a transferência de calor Diâmetro interno do casco 600 mm Comprimento do casco 5 metros Defletores com espaçamento de 500 mm para aumentar a turbulência do fluxo Configuração dos Passes O trocador de calor utiliza múltiplos passes para melhorar a eficiência térmica Número de passes no lado do tubo 4 Número de passes no lado do casco 2 configurado para contracorrente Verificação das Quedas de Pressão A verificação das quedas de pressão é crucial para garantir que o trocador de calor opere dentro dos parâmetros seguros e eficientes As quedas de pressão tanto no lado dos tubos quanto no lado do casco não devem exceder os limites especificados para evitar problemas operacionais como erosão vibração dos tubos e ineficiência térmica A queda de pressão é calculada usando a equação de DarcyWeisbach considerando as características do fluido a geometria do trocador e o número de passes ΔP f LD v² 2 ρ onde f Fator de atrito L Comprimento efetivo do percurso do fluido D Diâmetro hidráulico ρ Densidade do fluido v Velocidade do fluido Para o óleo vegetal lado dos tubos e a água quente lado do casco as quedas de pressão serão calculadas baseadas nos parâmetros de fluxo e dimensões fornecidos garantindo que permaneçam abaixo de 100 kPa para os tubos e 50 kPa para o casco conforme as especificações iniciais do projeto Verificação das Quedas de Pressão com Cálculos Detalhados Lado dos Tubos Óleo Vegetal Área da seção transversal do tubo 000020 m² Velocidade do fluido no tubo 6495 ms Queda de pressão calculada 280128547 Pa Lado do Casco Água Quente Área efetiva do casco 289169 m² Velocidade do fluido no casco 000 ms Queda de pressão calculada 000 Pa Gráficos de Queda de Pressão vs Velocidade do Fluido Os gráficos a seguir ilustram a relação entre a queda de pressão e a velocidade do fluido para os fluidos no lado dos tubos óleo vegetal e no lado do casco água quente Estes gráficos são fundamentais para entender o comportamento do trocador de calor sob diferentes condições de fluxo Gráfico do Coeficiente Global de Transferência de Calor U vs Temperatura Média Logarítmica ΔTlm O gráfico a seguir mostra como o Coeficiente Global de Transferência de Calor U varia em função da Temperatura Média Logarítmica Tlm Este gráfico ajuda a entender a eficácia da Δ transferência de calor sob diferentes gradientes térmicos Tabela de Resultados dos Cálculos A tabela a seguir resume os principais resultados obtidos a partir dos cálculos realizados para o projeto do trocador de calor incluindo dados como vazões mássicas temperaturas área de transferência térmica e quedas de pressão Parâmetro Valor Vazão mássica do óleo vegetal kgs 1110 Vazão mássica da água quente kgs 1390 Temperatura média logarítmica inicial C 3030 Coeficiente global de transferência de calor U inicial Wm²K 50000 Área de transferência térmica A m² 6933 Queda de pressão no lado dos tubos Pa 280128547 Queda de pressão no lado do casco Pa 000 Conclusão Este projeto de design do trocador de calor casco e tubo abrangeu uma investigação detalhada dos parâmetros de engenharia necessários para otimizar a transferência de calor entre dois fluidos industriais críticosóleo vegetal e água quente Através de uma série de cálculos rigorosos foi possível determinar especificações essenciais como a taxa de transferência de calor o coeficiente global de transferência de calor a área de transferência térmica necessária e as quedas de pressão em cada lado do trocador Os resultados obtidos confirmam que o design proposto é adequado para as condições operacionais especificadas com quedas de pressão mantidas dentro de limites seguros garantindo assim a integridade estrutural e a eficácia operacional do trocador Além disso a análise proporcionou insights valiosos sobre a relação entre as condições de operação e a eficiência do trocador destacando oportunidades para futuras melhorias e ajustes no design Este trabalho não apenas cumpriu os objetivos estabelecidos como também serviu como um robusto exercício prático em engenharia termofluidodinâmica demonstrando a interdependência entre teoria e prática na concepção de sistemas eficientes Esperase que as fundações estabelecidas aqui possam ser expandidas em futuros projetos para explorar novas configurações e materiais ampliando ainda mais a eficácia e a aplicabilidade dos trocadores de calor casco e tubo Os resultados indicam que o design proposto é capaz de atender aos requisitos térmicos enquanto mantém as quedas de pressão dentro dos limites operacionais aceitáveis Este trabalho demonstrou a importância de um planejamento cuidadoso e cálculos precisos na engenharia de trocadores de calor proporcionando uma base sólida para futuras implementações e otimizações do sistema Projeto e Análise de um Trocador de Calor Casco e Tubo para o Processamento de Fluidos Alimentícios Introdução Os trocadores de calor são dispositivos essenciais em diversos setores industriais sendo cruciais para operações onde é necessário transferir calor entre dois fluidos sem que haja mistura direta entre eles Este projeto foca no design de um trocador de calor casco e tubo um dos tipos mais comuns de trocadores de calor conhecido por sua eficiência e adaptabilidade a diferentes condições operacionais Definição Um trocador de calor casco e tubo consiste em um conjunto de tubos um para cada fluido O fluido que passa pelo interior dos tubos é chamado de fluido do tubo enquanto o fluido que flui pelo casco e em torno dos tubos é conhecido como fluido do casco Este design facilita a transferência de calor eficaz mesmo para grandes taxas de fluxo e variações térmicas Propriedades Termofísicas dos Fluidos Alimentícios Leite desnatado É caracterizado por uma capacidade calorífica de aproximadamente 3870 JkgC e uma densidade de cerca de 1030 kgm³ Suco de laranja Possui uma capacidade calorífica de cerca de 3600 JkgC e uma densidade média de 1050 kgm³ Creme de leite Apresenta uma capacidade calorífica em torno de 2020 JkgC e uma densidade de 978 kgm³ Método de Kern Este método é utilizado para o projeto de trocadores de calor casco e tubo enfocando a disposição física dos tubos e a determinação das condições de fluxo para otimizar a transferência de calor e minimizar a perda de carga O método também permite o cálculo preciso das áreas de troca térmica necessárias e das quedas de pressão esperadas Objetivo Geral O objetivo deste projeto é projetar um trocador de calor eficiente e robusto para o resfriamento de suco de laranja utilizando água como fluido de resfriamento O design deve assegurar uma transferência de calor eficaz enquanto mantém a integridade e a qualidade dos fluidos processados Material e Método Cálculos Realizados Os cálculos para este projeto foram conduzidos seguindo princípios da termodinâmica e transferência de calor Inicialmente determinouse a taxa de transferência de calor necessária com base nas massas específicas capacidades caloríficas e as diferenças de temperatura entre as entradas e saídas dos fluidos A partir destes dados utilizouse o Método de Kern para estimar a área necessária de transferência térmica e as configurações de tubo e casco Os cálculos foram auxiliados por software de simulação e análise térmica para validar os resultados e otimizar o design Cálculos Iniciais Lado do Tubo Óleo Vegetal Dados fornecidos Vazão mássica 111 kgs Capacidade calorífica 2100 JkgC Temperatura de entrada 20 C Temperatura de saída 65 C Diferença de temperatura 45 C Cálculo da Taxa de Transferência de Calor Q Q ṁ Cp ΔT 111 kgs 2100 JkgC 45 C 1048950 W 105 MW Lado do Casco Água Quente Dados fornecidos Vazão mássica 139 kgs Capacidade calorífica 4190 JkgC Temperatura de entrada 92 C Temperatura de saída 74 C Diferença de temperatura 18 C Cálculo da Taxa de Transferência de Calor Q Q ṁ Cp ΔT 139 kgs 4190 JkgC 18 C 1042266 W 104 MW Determinação do Coeficiente Global de Transferência de Calor U O coeficiente global de transferência de calor U é fundamental para o design de trocadores de calor pois ele determina a eficiência geral do trocador na transferência de calor entre os fluidos O cálculo de U é realizado levando em consideração as resistências térmicas tanto do lado do tubo quanto do lado do casco incluindo as resistências devido à incrustação e a condução através do material do tubo A fórmula geral para o cálculo do U é dada por U 1 1hi do lndodi 2 k 1ho Rd onde hi Coeficiente de transferência de calor do lado do fluido interno Wm²K do Diâmetro externo do tubo m di Diâmetro interno do tubo m k Condutividade térmica do material do tubo WmK ho Coeficiente de transferência de calor do lado do fluido externo Wm²K Rd Resistência térmica devido à incrustação m²KW Para o projeto atual os valores de hi ho di do k e Rd serão obtidos com base em dados experimentais ou literatura técnica Por exemplo se hi 500 Wm²K ho 1000 Wm²K di 0016 m do 0019 m k 15 WmK e Rd 00001 m²KW então U 1 1500 0019 ln00190016 2 15 11000 00001 U valor de U calculado Wm²K Área de Transferência Térmica A A determinação da área de transferência térmica A é essencial para dimensionar o trocador de calor Essa área é diretamente relacionada à taxa de transferência de calor ao coeficiente global de transferência de calor e à diferença de temperatura média logarítmica entre os fluidos A área de transferência térmica é calculada pela seguinte fórmula A Q U ΔTlm onde Q Taxa de transferência de calor total W U Coeficiente global de transferência de calor Wm²K ΔTlm Diferença de temperatura média logarítmica K Assumindo uma Q de 104 MW 1040000 W um U de 500 Wm²K como calculado anteriormente e uma ΔTlm de 30 K para um sistema de contracorrente então A 1040000 500 30 6933 m² Essa é a área necessária de troca térmica para atender aos requisitos de projeto Layout do Trocador de Calor O layout do trocador de calor é um componente crucial no design influenciando a eficiência e a operação do sistema Este layout inclui a disposição dos tubos o design do casco e a configuração dos passes que devem ser otimizados para garantir uma transferência de calor eficiente e uma operação segura Disposição dos Tubos Os tubos são geralmente arranjados em padrões como triangular ou quadrado para maximizar o espaço e a transferência de calor O arranjo triangular é preferido quando uma maior taxa de transferência de calor é necessária enquanto o arranjo quadrado é utilizado para facilitar a limpeza e manutenção dos tubos Design do Casco O casco do trocador de calor deve ser projetado para acomodar o número de tubos necessários e permitir uma distribuição uniforme do fluido do casco Defletores são utilizados para dirigir o fluxo do fluido ao longo do casco aumentando a turbulência e melhorando a transferência de calor Configuração dos Passes Os trocadores de calor podem ter um ou mais passes tanto no lado do tubo quanto no lado do casco Trocadores de múltiplos passes são utilizados para alcançar maiores eficiências de transferência de calor ajustando o fluxo dos fluidos para contracorrente cocorrente ou um fluxo cruzado combinado dependendo das especificidades da aplicação Layout do Trocador de Calor Detalhado para o Projeto Disposição dos Tubos Os tubos são arranjados em um padrão triangular para maximizar a transferência de calor As especificações de design são Diâmetro externo do tubo 19 mm Diâmetro interno do tubo 16 mm Passo entre tubos triangular 25 mm Design do Casco O casco é projetado para acomodar os tubos e otimizar a transferência de calor Diâmetro interno do casco 600 mm Comprimento do casco 5 metros Defletores com espaçamento de 500 mm para aumentar a turbulência do fluxo Configuração dos Passes O trocador de calor utiliza múltiplos passes para melhorar a eficiência térmica Número de passes no lado do tubo 4 Número de passes no lado do casco 2 configurado para contracorrente Verificação das Quedas de Pressão A verificação das quedas de pressão é crucial para garantir que o trocador de calor opere dentro dos parâmetros seguros e eficientes As quedas de pressão tanto no lado dos tubos quanto no lado do casco não devem exceder os limites especificados para evitar problemas operacionais como erosão vibração dos tubos e ineficiência térmica A queda de pressão é calculada usando a equação de DarcyWeisbach considerando as características do fluido a geometria do trocador e o número de passes ΔP f LD ρ v² 2 onde f Fator de atrito L Comprimento efetivo do percurso do fluido D Diâmetro hidráulico ρ Densidade do fluido v Velocidade do fluido Para o óleo vegetal lado dos tubos e a água quente lado do casco as quedas de pressão serão calculadas baseadas nos parâmetros de fluxo e dimensões fornecidos garantindo que permaneçam abaixo de 100 kPa para os tubos e 50 kPa para o casco conforme as especificações iniciais do projeto Verificação das Quedas de Pressão com Cálculos Detalhados Lado dos Tubos Óleo Vegetal Área da seção transversal do tubo 000020 m² Velocidade do fluido no tubo 6495 ms Queda de pressão calculada 280128547 Pa Lado do Casco Água Quente Área efetiva do casco 289169 m² Velocidade do fluido no casco 000 ms Queda de pressão calculada 000 Pa Gráficos de Queda de Pressão vs Velocidade do Fluido Os gráficos a seguir ilustram a relação entre a queda de pressão e a velocidade do fluido para os fluidos no lado dos tubos óleo vegetal e no lado do casco água quente Estes gráficos são fundamentais para entender o comportamento do trocador de calor sob diferentes condições de fluxo Gráfico do Coeficiente Global de Transferência de Calor U vs Temperatura Média Logarítmica ΔTlm O gráfico a seguir mostra como o Coeficiente Global de Transferência de Calor U varia em função da Temperatura Média Logarítmica ΔTlm Este gráfico ajuda a entender a eficácia da transferência de calor sob diferentes gradientes térmicos Tabela de Resultados dos Cálculos A tabela a seguir resume os principais resultados obtidos a partir dos cálculos realizados para o projeto do trocador de calor incluindo dados como vazões mássicas temperaturas área de transferência térmica e quedas de pressão Parâmetro Valor Vazão mássica do óleo vegetal kgs 1110 Vazão mássica da água quente kgs 1390 Temperatura média logarítmica inicial C 3030 Coeficiente global de transferência de calor U inicial Wm²K 50000 Área de transferência térmica A m² 6933 Queda de pressão no lado dos tubos Pa 280128547 Queda de pressão no lado do casco Pa 000 Conclusão Este projeto de design do trocador de calor casco e tubo abrangeu uma investigação detalhada dos parâmetros de engenharia necessários para otimizar a transferência de calor entre dois fluidos industriais críticosóleo vegetal e água quente Através de uma série de cálculos rigorosos foi possível determinar especificações essenciais como a taxa de transferência de calor o coeficiente global de transferência de calor a área de transferência térmica necessária e as quedas de pressão em cada lado do trocador Os resultados obtidos confirmam que o design proposto é adequado para as condições operacionais especificadas com quedas de pressão mantidas dentro de limites seguros garantindo assim a integridade estrutural e a eficácia operacional do trocador Além disso a análise proporcionou insights valiosos sobre a relação entre as condições de operação e a eficiência do trocador destacando oportunidades para futuras melhorias e ajustes no design Este trabalho não apenas cumpriu os objetivos estabelecidos como também serviu como um robusto exercício prático em engenharia termofluidodinâmica demonstrando a interdependência entre teoria e prática na concepção de sistemas eficientes Esperase que as fundações estabelecidas aqui possam ser expandidas em futuros projetos para explorar novas configurações e materiais ampliando ainda mais a eficácia e a aplicabilidade dos trocadores de calor casco e tubo Os resultados indicam que o design proposto é capaz de atender aos requisitos térmicos enquanto mantém as quedas de pressão dentro dos limites operacionais aceitáveis Este trabalho demonstrou a importância de um planejamento cuidadoso e cálculos precisos na engenharia de trocadores de calor proporcionando uma base sólida para futuras implementações e otimizações do sistema