Projetos de Trocadores de Calor a Placas - Operações Unitárias e Engenharia de Alimentos

Projetos de Trocadores de Calor Operações Unitárias 2 Engenharia de Alimentos Profa Kelly T Catelam IFSP Matão TC a placas 1x4 1 passe no trocador em 4 canais TC a placas 4x1 4 passes no trocador em 1 canal TC a placas 2x2 2 passes no trocador em 2 canais 1x4 1 passe no trocador em 4 canais TC a placas 2x2 2 passes no trocador em 2 canais TC a placas 2x2 2 passes no trocador em 2 canais 4x1 4 passes no trocador em 1 canal Incrustação de leite em trocador à placas Área de troca térmica em trocadores a placas A npl AeP npl número de placas térmicas total de placas no pacote menos as duas placas da extremidade que não trocam calor AeP Área efetiva de troca térmica de uma placa AeP fAP LP wg Usualmente fabricante fornece valor da área efetiva de troca de uma placa ou o fator de alargamento da área de uma placa fAP Figura 1018 Principais dimensões de um trocador de calor de placas em que Lp é o comprimento da parte corrugada wg é a largura entre as gaxetas ep é a espessura da placa ec é a espessura do canal e φ é o ângulo da corrugação TC a placas Regime laminar Re 400 o limite é diferente de tubos Regime turbulento Re 400 Utilizar diâmetro hidráulico De Correlações mais utilizadas Turbulento Nu 0374Re23Pr13ηηw015 Laminar Nu 0742 Ĉp GRe062 Pr23 ηηw014 Também é possível resolver os problemas utilizandose as correlações para escoamento interno em tubos levando em conta o diâmetro hidráulico seria uma aproximação Re ρ v De η G De η TC a placas Coeficiente convectivo no canal de um trocador a placas com padrão espinha de peixe Nu b1Reb2 Pr033 μμp014 Tabela 103 Parâmetros de troca térmica para um trocador de calor de placas com padrão espinha de peixe φ NRe b1 b2 30 10 0718 0349 10 0348 0663 45 10 0718 0349 10 100 0400 0598 100 0300 0663 50 20 0630 0333 20 300 0291 0591 300 0130 0732 60 20 0562 0326 20 400 0306 0529 400 0108 0703 65 20 0562 0326 20 500 0331 0503 500 0087 0718 Fonte Saunders 1988 Regime laminar Re 400 o limite é diferente de tubos Regime turbulento Re 400 TC a placas Coeficiente convectivo no canal de um trocador a placas com padrão espinha de peixe Nu b1 Reb2 Pr033 μμn014 Re utilizar diâmetro hidráulico 4AsPw Dh 4ec wg 2 fAP wg ec Como fAP Wg ec Dh 4ec 2 fAP Para a velocidade média v v Q ncnp As nc número de canais totais np número de passes Q vazão volumétrica uniformemente distribuída entre os canais de um passe TC a placas q Ui Ai ΔTml Ue Ae ΔTml Suposições U constante ao longo de todo o trocador Em cada seção perpendicular do trocador as temperaturas dos fluidos podem ser representadas por temperaturas médias Perdas de calor para o ambiente são nulas e o processo ocorre em regime permanente equipamento já aquecido Calores específicos dos fluidos são constantes Exemplo Uma solução de sacarose 60Brix entra a 35C e deve ser resfriada até 88C em um trocador de calor a placas usando água gelada que entra a 1C Ambas as vazões são de 13 kgs O trocador de calor tem 35 placas térmicas 36 canais de escoamento com arranjo de passes 2x92x9 e entradas em lados opostos do pacote de placas na posição inferior de modo que o escoamento é contracorrente na maioria das placas As principais dimensões e características das placas são Lp74 cm wg236 cm ep07mm ec27mm ϕ45 fap117 km17 WKm As propriedades físicas médias da solução de sacarose são ρq1286 kgm3 Cpq2803 JkgK µq515 mPas kq0407WmK As propriedades físicas médias da água são ρf1000 kgm3 Cpf4206 JkgK µf133 mPas kf0584WmK Determine a os coeficientes globais de troca térmica limpo e sujo do trocador adote Rinc 3x105 Km2W para os dois fluidos b a temperatura de saída da água e a carga térmica para o trocador limpo e sujo Como apenas uma das placas opera em paralelo considerar FMLDT 1 Solução Tqe 35C Tqs 88C Tfe 10C Tfs Altura da placa Lp 740cm 074m Largura wg 236 cm0236 m Espessura da placa ep 07mm00007 m Espessura do canal ec 27mm 00027m f45º fAP 117 km 17 WK¹m¹ Propriedades termofísicas médias Solução de sacarose ρq1286 kgm³ Cpq2803 JkgK μq515 mPas kq0497WmK Água ρf1000 kgm³ Cpf4206 JkgK μf133 mPas kf0584WmK AeP Área efetiva de troca térmica de uma placa AeP 117 074 0236 0204 m² A npl AeP A 35 0204 714 m² As área da seção transversal de um canal As ec wg 00007 0236 637 10⁴ m² Deq 2 ec fap 2 00027 117 000462 m ϑq Q ncnp As m ncnp As ρ 130 182 637 10⁴ 1286 0176 ms ϑf Q ncnp As m ncnp As ρ 130 18 2 637 10⁴ 1000 0227 ms Req 1286 0176 000462 515 10³ 203 Ref 1000 0227 000462 133 10³ 788 Prq Cp μ k 2803 515 10³ 0407 355 Prf Cp μ k 4206 133 10³ 0584 958 Coeficiente convectivo no canal de um trocador a placas com padrão espinha de peixe Nu b1 Reb2Pr033 μ μp014 φ45 Req 203 Ref 788 b1 0400 b2 0598 b1 0300 b2 0663 Prq 355 Prf 958 Nuq 040020305983550331168 hq fracNuq KqDeq frac168 0407000462 1480 fracWmK Nuf 030078806639580331526 hf fracNuf KfDeq frac526 0584000462 6649 fracWmK U frac1frac1hq fracepkm frac1hf frac1frac11480 frac0000717 frac16649 frac100008672 1153 fracWm2K Us frac1frac1hq fracepkm frac1hf 2Rinc frac1frac11480 frac0000717 frac16649 23105 frac100008672 000006 frac100009272 Us 1078 fracWm2K b dotq dotmq Cpq Tqe Tqs 13 frackgs 2803 fracJkgK 35 88 C extbf95470 Js dotq dotmf Cpf Tfs Tfe 95470 fracJs 13 frackgs 4206 fracJkgK Tfs 10 C extbfTfs 1846 C Delta Tml fracTqs Tfe Tqe Tfsln fracTqs TfeTqe Tfs frac88 10 35 1846ln leftfrac88 1035 1846right 1163 C extbfQ UADelta TmlF 115371411631 95743 Js extbfQs UsADelta TmlF 107571411631 89189 Js Na prática as temperaturas de saída dos fluidos quente e frio se alteram no caso das incrustações com isto Qs seria um valor diferente do estimado neste exemplo Estas soluções só podem ser obtidas por iterações em softwares matemáticos como o Microsoft excel OBRIGADA