Projetos de Trocadores de Calor - Operações Unitárias - Engenharia de Alimentos

Projetos de Trocadores de Calor Operações Unitárias 2 Engenharia de Alimentos Profa Kelly T Catelam IFSP Matão Projeto de um Trocador de Calor É necessário saber Produto Fluido de aquecimentorefrigerante Temperaturas e diferenças de temperatura DMLT Propriedades físicas densidade viscosidade condutividade térmica calor específico etc Material aço inox ferro fundido etc e geometria do equipamento Coeficiente de transferência de calor Área de troca térmica Equacionamento principal Q UAΔTml Objetivo do projeto de trocador de calor encontrar a área de projeto A tamanho do trocador Q taxa de troca de calor entre os fluidos quente e frio U coeficiente global de transferência de calor A área de troca térmica ΔTml diferença média logarítmica de temperatura 4 Tipos de corrente Quente fluido quente aquele que fornece calor e se não houver mudança de fase resfriará Fria fluido frio aquele que retirarecebe calor e se não houver mudança de fase aquecerá Trocador de calor de tubos duplos 2 tubos concêntricos geralmente com dois ou mais trechos retos Cada fluido escoa por um tubo sendo que a troca de calor ocorre pelas paredes do tubo interno v 6 A área de troca considera apenas a região reta na curva não há troca de calor Trocador de calor de tubos duplos 7 Quanto maior o número de voltas maior a área de troca térmica Trocador de calor de tubos duplos Trocador de calor de tubos duplos 9 Tubo interno pode ou não ter aletas aumenta a área de troca térmica Trocador de calor de tubos duplos Trocador de superfície raspada Similares ao TC duplo tubo diferencial está no eixo rotativo no centro do tubo interno contém lâminas raspadoras que promovem a mistura do fluido no tubo Recomendados para alimentos líquidos de média ou alta viscosidade como xaropes chocolates molhos polpas de frutas ou carne processada Vantagens Facilidade de construção e montagem Ampliação de área Facilidade de manutenção acesso por ambos os lados Desvantagens Viável até área 30 m2 Grande espaço físico para pouca área de troca térmica Alto custo por unidade de área de troca de calor Trocador de calor de tubos duplos 12 Arranjo em paralelo cocorrente Tubos duplos Equacionamento Cálculo do ou DMLT ou MLDT diferença média logarítmica de temperatura 13 T1q T2q t1f t2f ln 2 1 2 1 t t t t Tml t1 t2 f q f q f q f q ml t T t T t T t T T 2 2 1 1 2 2 1 1 ln Arranjo em paralelo cocorrente Tubos duplos Equacionamento Cálculo do ou DMLT ou MLDT diferença média logarítmica de temperatura 14 Arranjo em contracorrente Tubos duplos Equacionamento Cálculo do ou DMLT ou MLDT diferença média logarítmica de temperatura 15 T1q T2q t2f t1f ln 2 1 2 1 t t t t Tml t1 t2 f q f q f q f q ml t T t T t T t T T 1 2 2 1 1 2 2 1 ln Arranjo em contracorrente Tubos duplos Equacionamento Cálculo do ou DMLT ou MLDT diferença média logarítmica de temperatura Arranjo em paralelo cocorrente Arranjo em contracorrente 17 Equação de projeto de um trocador de calor Tml contracorrente Tmlparalelo ml contracorrente ml T F T Equacionamento Cálculo do ou DMLT ou MLDT diferença média logarítmica de temperatura UAΔTml 18 Número de passes O número de passagens do fluido que está dentro do tubo será o mesmo do fluido que está no tubo de fora Não tem escoamento cruzado Logo o escoamento será puramente paralelo ou puramente contracorrente Tubos duplos Equacionamento Cálculo do ou DMLT ou MLDT diferença média logarítmica de temperatura Composto por um casco cilíndrico contendo um conjunto de tubos Fluido escoa no interior dos tubos maior fator de incrustação e outro fluido escoa por fora dos tubos carcaça Trocador de calor de tubos e carcaça Funcionamento Trocador de calor de tubos e carcaça Funcionamento Chicanas placas perfuradas que direcionam o fluido na carcaça e suportam os tubos Trocador de calor de tubos e carcaça 22 Funcionamento Chicanas placas perfuradas que direcionam o fluido na carcaça e suportam os tubos Carretel local o fluido terá acesso aos tubos Trocador de calor de tubos e carcaça Operação Paralela Contracorrente Múltiplos passes e escoamento cruzado Observação influenciará na diferença de temperatura no trocador Trocador de calor de tubos e carcaça Número de passagens Número de passagens no casco n e no tubo m Passou 1 vez nos tubos c Passou 1 vez na carcaça casco Trocador casco e tubo 11 contracorrente Trocador de calor de tubos e carcaça Número de passagens Passou 2 vezes nos tubos Passou 1 vez na carcaça casco Trocador casco e tubo 12 uma parte é paralelo e a outra é contracorrente Trocador de calor de tubos e carcaça Número de passagens Passou 4 vezes nos tubos Passou 2 vezes na carcaça casco Trocador casco e tubo 24 uma parte é paralelo e a outra é contracorrente Trocador de calor de tubos e carcaça Escoamento cruzado Trocador de calor de tubos e carcaça Correção do Tml Trocador duplo tubo a operação é paralela ou contracorrente Trocador é casco e tubo a operação será Paralela ou contracorrente se o número de passagens no casco for igual ao número de passagens nos tubos Mista paralela e contracorrente se o número de passagens no casco for diferente do número de passagens nos tubos Escoamento cruzado Trocador de calor de tubos e carcaça Correção do ΔTml Para a situação em que tem ambas as operações paralelo e contracorrente mista e escoamento cruzado o ΔTml será um valor médio O valor de ΔTml valor médio é menor que do contracorrente fator de correção ml contracorrente ml T F T Trocador de calor de tubos e carcaça Correção do ΔTml Quanto maior o valor de F mais próximo ou mais distante do processo em contracorrente Quanto maior o valor de F mais próximo do processo em contracorrente Trocador de calor de tubos e carcaça Correção do ΔTml Desejase maiores ou menores valores de F Por quê Desejase maiores valores de F pois maior será a eficiência mais próprio do contracorrente Trocador de calor de tubos e carcaça Vantagens Ampla faixa de aplicação mais utilizado na indústria química Grandes áreas de troca de calor tipo de trocador com maior área Operação de fluidos corrosivos diferentes materiais Baixo custo por unidade de área Desvantagens Inflexibilidade construtiva difícil modificar o equipamento já construído Remoção do feixe de tubos ideal é o material com maior incrustação no interior dos tubos e a limpeza com produtos químicos Trocador de calor de tubos e carcaça Funcionamento O trocador de calor a placas é composto por placas aço inoxidável por exemplo juntas de vedação e bocais Espaço de segurança contra vazamento Fluido 1 Bocal Fluido 1 Bocal Fluido 1 Juntas de vedação Bocal Fluido 2 Bocal Fluido 2 Espaço entre juntas de vedação duplas ao redor da área dos bocais é vazada para a atmosfera para prevenir a mistura entre os fluidos no equipamento Trocador de calor a placas Funcionamento Trocador de calor a placas Funcionamento Trocador de calor a placas Funcionamento Suporte das placas Trocador de calor a placas Vantagens Facilidade de limpeza fácil acesso à superfície de troca Flexibilidade na área de troca aumentar ou diminuir número de placas Grande área de troca ocupando pouco espaço Pode operar com mais de dois fluidos Baixo custo inicial Incrustação reduzida em alta turbulência Não ocorre mistura dos fluidos Desvantagens Materiais pouco viscosos alta perda de carga e entupimento Pressão de operação menor do que 30 bar Volumes moderados de vapores e gases baixas pressões Temperaturas inferiores a 180C dependendo do material pode chegar a 260C Trocador de calor a placas Operação Paralela Contracorrente Múltiplos passos Trocador de calor a placas Número de passagens Trocador de calor a placas Contracorrente Paralelo 40 IFSP Campus Matão Correção do ΔTml Será necessário corrigir o ΔTml caso o fluxo não seja puramente paralelo ou contracorrente e a depender do tipo de arranjo série paralelo e complexo F será obtido por gráficos ou equações ml contracorrente ml T F T Trocador de calor a placas TROCADOR DE CALOR DE TUBOS DUPLOS Equacionamento Equacionamento principal UAΔTml Objetivo do projeto de trocador de calor de tubos duplos encontrar área A e a partir dela encontrar o comprimento L do trocador de calor Q taxa de troca de calor entre os fluidos quente e frio W U coeficiente global de transferência de calor Wm2K A área de troca térmica área externa do tubo interno m2 ΔTml diferença média logarítmica de temperatura K Fluido FRIO Fluido QUENTE Tb ρ Cp k μ Re Pr Nu he Nu hi U qprojeto qrecebido A L 44 Taxa de transferência de calor onde Q taxa de transferência de calor W Js m vazão kgs Cp calor específico JkgK T e t temperaturas dos fluidos quente e frio na entrada 1 e na saída 2 2 1 q q q q T T Cp m Q 1 2 f f f f t t Cp m Q Q Equacionamento Q 45 Taxa de transferência de calor Se houver condensação do fluido quente ou evaporação do fluido frio onde Q taxa de transferência de calor W Js m vazão kgs lc calor de condensação calor latente do fluido quente Jkg lv calor de vaporização calor latente do fluido frio Jkg c mq Q v mf Q Equacionamento Q 46 Equação de projeto de um trocador de calor Coeficiente global de troca térmica depende dos mecanismos de troca térmica e do fator de incrustação Equacionamento Cálculo do UAΔTml 47 Equação de projeto de um trocador de calor Tml U A Q total ml R U A Q T 1 Equacionamento Cálculo do 48 Trocadores de calor duplo tubo e casco e tubo i total R U A R 1 L k r r R cond cilindro 2 ln 1 2 0 0 0 1 2 1 2 ln 1 1 A h A R L k r r A R A h A U e inc i i inc i i h A Rconv 1 h coeficiente convectivo Wm2 K k coeficiente de condução Wm K Equacionamento Cálculo do 49 Trocadores de calor duplo tubo e casco e tubo Considerando que as resistências à incrustação e à condução são muito pequenas 0 0 1 1 1 A h A h A U i i Equacionamento Cálculo do 50 Trocadores de calor duplo tubo e casco e tubo Vamos convencionar como área de busca a área externa do tubo interno A0 p D0 L 0 0 0 0 1 1 1 A h A h A U i i Tml A U Q 0 0 Equacionamento Cálculo do 51 Trocadores de calor duplo tubo e casco e tubo Se manipularmos a equação 0 0 0 1 1 1 h D D h U i i 0 0 0 0 0 1 A h A A h A U i i L D h L D L D h L D U i i 1 0 0 0 0 0 Equacionamento Cálculo do Trocadores de calor duplo tubo e casco e tubo Tml A U Q 0 0 Com a taxa de calor Q coeficiente global de transferência de calor U e diferença de temperatura logarítmica ΔTml é possível calcular a área de um trocador duplo tubo e casco e tubo Importante verificar se ΔTml precisa ser corrigido tubos duplo não precisa Equacionamento Cálculo da Área de troca térmica A 53 Trocadores de calor duplo tubo e casco e tubo Para trocador duplo tubo Para trocador casco e tubo Ntubos Comprimento do tubo Comprimento do equipamento comprimento do passe Atubo Ntubos A 0 tubo tubo L D L r A 2 0 0 A Atubo 0 L N L passes tubo Equacionamento Cálculo da Área de troca térmica A Trocador de calor a placas E se fosse um trocador a placas Equacionamento Trocador de calor a placas Trocador de calor a placas i total R U A R 1 k R placa cond 0 0 1 1 1 A h A R k A R A h A U e e inc i i inc i i h A Rconv 1 Equacionamento Cálculo do 56 IFSP Campus Matão Trocador de calor a placas Considerando que a resistência à incrustação e à condução são muito pequenas Portanto o problema será o mesmo O que muda é a área de troca e a correção do ΔTml quando necessária 0 0 1 1 1 A h A h A U i i Equacionamento Cálculo do Trocador de calor a placas Para trocador a placasNplacas Aplaca Nplacas A 0 W L Aplaca Equacionamento Cálculo Área de troca térmica A Referências bibliográficas OLIVEIRA CM Trocadores de Calor IFSP 2018 TADINI C C et al Operações Unitárias na Indústria De Alimentos V 1 LTC 2017 TOSI ML Trocadores de calor dimensionamento de trocador bitubular e tubo e carcaça FZEAUSP 2018 VILLAVÉLEZ Trocadores de calor Princípios Equipamentos e características principais COEQCCETUFMA 2020 OBRIGADA