Operações Unitárias II: Trocadores de Calor e Métodos de Efetividade

ICT527 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II Profa Jaqueline Costa Martins jaquelinemartinsunifalmgedubr 1 Trocadores de Calor Trocador tubos concêntricos Entrada de Fluido frio Saída de Fluido frio Entrada de Fluido quente Saída de Fluido quente Escoamento Concorrente Remember time Trocador tubos concêntricos Entrada de Fluido frio Saída de Fluido frio Entrada de Fluido quente Saída de Fluido quente Escoamento Contracorrente Remember time Exemplo 1 Um fluido entra em um trocador de calor duplo tubo a 300 ºF e deve ser resfriado até 200 ºF Para isso utilizase outro fluido que entra a 100 ºF e sai a 150 ºF Qual forma de operação deve ser usada neste trocador E para um fluido isotérmico qual a melhor forma de operação a ser usada em um trocador Avaliação configuração de escoamento dos fluidos no trocador de calor Método Média Logarítmica de Diferenças de Temperatura Exemplo 2 Um trocador de calor bitubular com configuração contracorrente é utilizado para resfriar óleo lubrificante de um grande motor de turbina a gás industrial A vazão mássica da água de resfriamento através do tubo interno D 25 mm é de 02 kgs enquanto a vazão de óleo na região anular D 45 mm é de 01 kgs O óleo e a água entram a temperaturas de 100 e 30 ºC respectivamente Qual deve ser o comprimento do trocador se a temperatura de saída do óleo é de 60 ºC MÉTODO DA EFETIVIDADE NUT 1 O método da efetividade NUT envolve a definição de um parâmetro adimensional que não envolve temperaturas de saída máx q q q troca de calor real qmáx máxima troca de calor possível 2 A taxa de troca de calor real pode ser determinada a partir de uma balanço de energia para o lado frio ou quente e expressa como q s q e q f e f s f T C T T T C q Máxima troca de calor possível Tmáxima f e q e possível fria mais quente mais máx T T T T T 3 Imagine um trocador de calor no qual aumentamos a área com o objetivo de aumentar q enquanto mantemos as duas temperaturas de alimentação fixas A taxa de transferência de calor atinge um valor máximo quando 1 O fluido frio é aquecido até a temperatura do fluido quente 2 O fluido quente é resfriado até a temperatura de entrada do fluido frio Estas duas condições não serão atingidas simultaneamente a não ser que as capacidades caloríficas seja iguais Cq Cf Para o caso mais comum Cq Cf temse que O fluido com a MENOR capacidade calorífica experimentará a MAIOR variação de temperatura MÉTODO DA EFETIVIDADE NUT Portanto a máxima taxa de transferência de calor será 4 min f e q e máx T T C q MÉTODO DA EFETIVIDADE NUT máx q q Utilizandose das equações 2 e 4 obtemos min f e e q q s q e q T T C T T C min f e e q f e f s f T T C T T C 5 6 A efetividade quando conhecida juntamente com as temperaturas de entrada Te permite o cálculo da taxa de transferência de calor real Mesmo sem conhecer as Tsaída dos fluidos min f e q e máx T T C q q Como obter a efetividade Expressões na forma de Tabelas Gráficos OBTENÇÃO DE UMA RELAÇÃO PARA A EFETIVIDADE NUT A efetividade depende da geometria e da disposição dos fluxos em um trocador de calor 00 Relações para efetividade tipicamente envolvem o agrupamento adimensional UACmin de número de unidades de transferência NUT min min cp m A U C U A NUT Na análise de trocadores de calor é também conveniente definir uma outra quantidade adimensional a razão de capacidade cr máx r C C c min Relações para a efetividade foram desenvolvidas para vários tipos de trocadores de calor Representação em tabelas e gráficos OBTENÇÃO DE UMA RELAÇÃO PARA A EFETIVIDADE NUT Relações de efetividade para trocadores de calor OBTENÇÃO DE UMA RELAÇÃO PARA A EFETIVIDADE NUT Relações do NTU para trocadores de calor OBTENÇÃO DE UMA RELAÇÃO PARA A EFETIVIDADE NUT Efetividade de um trocador de calor com configuração paralela OBTENÇÃO DE UMA RELAÇÃO PARA A EFETIVIDADE NUT Efetividade de um trocador de calor com configuração contracorrente OBTENÇÃO DE UMA RELAÇÃO PARA A EFETIVIDADE NUT Efetividade de um trocador de calor de escoamento cruzado com um passe com os dois fluidos nãomisturados OBTENÇÃO DE UMA RELAÇÃO PARA A EFETIVIDADE NUT Efetividade de um trocador de calor de escoamento cruzado com um passe com um fluido misturado e o outro não misturado Considere o projeto de um trocador de calor com tubos aletados e escoamento cruzado com os dois fluidos nãomisturados apresentando um coeficiente global de transferência de calor baseado na área no lado do gás e uma área no lado do gás de 100 W m2 K1 e 40 m2 respectivamente A vazão mássica e a temperatura de entrada da água permanecem iguais a 1 kg s1 e 35 ºC Entretanto uma mudança das condições operacionais do gerador de gases quentes faz com que os gases passem a entrar no trocador de calor a uma vazão de 15 kg s1 e a uma temperatura de 250 ºC Qual é a taxa de transferência de calor e quais são as temperaturas de saída do gás e da água cpf 4197 Jkg K cpq 1000 Jkg K Exemplo 3 Método Efetividade