Slide - Trocador Bitubular - Operações Unitárias 2 2021-1

3 3 - Trocador Trocador Bitubular Bitubular REFERÊNCIA REFERÊNCIA KERN, Processos de transmissão de calor, Guanabara dois, 1980. Holman, Heat transfer, McGraw-Hill, 1983. DUARTE, C.R. (Prof. FEQ/UFU), Notas de aula. BARROZO, M.A.S. (Prof. FEQ/UFU), Notas de aula. 2 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular  Os trocadores de calor do tipo tubulares são equipamentos construídos com tubos circulares. Introdução  Este trocadores podem ser classificados como:  O trocador de TUBO DUPLO consiste de dois tubos concêntricos (Figura 1). Figura 1- Esquema de um trocador de calor tubo duplo ⦿ tubo tubo duplo duplo (ou (ou bitubular) bitubular); ⦿ tubo tubo-carcaça carcaça (ou (ou casco casco e tubo) tubo); ⦿ espiral espiral. 3 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Neste sentido... um dos fluidos escoa pelo tubo um dos fluidos escoa pelo tubo INTERNO INTERNO enquanto que o outro... enquanto que o outro... escoa pela parte escoa pela parte ANULAR ANULAR (entre entre tubos) tubos)  Como vantagens do trocador de calor bitubular cita-se: ♨ relativa relativa simplicidade simplicidade; ♨ construção construção relativamente relativamente barata barata. ♨ facilidade facilidade de de desmontagem desmontagem para para limpeza limpeza e manutenção manutenção.  Como DESvantagens do trocador de calor bitubular cita-se: ♨ pequena pequena área área de de troca troca de de calor calor (menor (menor que que 200 200 ftft2); ♨ quando quando usado usado para para grandes grandes serviços serviços é necessário necessário um um número número muito muito grande grande de de trocadores, trocadores, ocupando ocupando um um espaço espaço considerável considerável. ...e, por isso, 4 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular  Seja o esquema da Figura 2: as principais características deste equipamento são: ♨ grampo grampo é a unidade unidade composta composta por por dois dois ramos ramos; Figura 2 - Esquema de um trocador de calor tubo duplo ...ou seja, 1 grampo 1 grampo (2 ramos) (2 ramos) 1 ramo 1 ramo 5 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular ♨ o trocador trocador é composto composto por por: ⦿ dois dois conjuntos conjuntos de de tubos tubos concêntricos concêntricos (2 ramos ramos = 1 grampo) grampo); ⦿ tês tês conectores conectores; ⦿ uma uma curva curva de de retorno retorno; ⦿ um um cabeçote cabeçote de de retorno retorno; ⦿ buchas buchas de de apoio apoio. ♨ o comprimento comprimento efetivo efetivo de de cada cada ramo ramo é menor menor que que 20 20 ftft e,e, apresenta apresenta pequena pequena superfície superfície de de troca troca térmica térmica (menor (menor que que 200 200 ftft2),), sendo sendo largamente largamente empregado empregado para para os os casos casos onde onde uma uma pequena pequena área área de de transferência transferência de de calor calor é requerida requerida; 6 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular ♨ o tubo tubo interno interno é mantido mantido dentro dentro do do tubo tubo externo externo por por meio meio de de buchas buchas de de apoio apoio. ♨ o fluido fluido entra entra no no tubo tubo interno interno através através de de uma uma conexão conexão rosqueada rosqueada localizada localizada fora fora da da seção seção própria própria do do trocador trocador. ♨ os os tês tês possuem possuem conexões conexões para para permitir permitir a entrada entrada e a saída saída do do fluido fluido que que escoa escoa na na parte parte anular anular e que que passa passa de de um um ramo ramo para para outro outro por por meio meio do do cabeçote cabeçote de de retorno retorno. ♨ os os dois dois comprimentos comprimentos do do tubo tubo interno interno estão estão conectados conectados por por uma uma curva curva de de retorno retorno que que usualmente usualmente não não fornece fornece uma uma superfície superfície de de transmissão transmissão de de calor calor efetiva efetiva.  Os TROCADORES com TUBO DUPLO são normalmente dispostos em conjuntos com comprimentos efetivos: 12 ft 15 ft 20 ft 7 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular  Quando comprimentos MAIORES que esses são empregados, o tubo interno tende a se encurvar e tocar o tubo externo, provocando assim, uma distribuição pobre na parte anular.. Sendo que:  Os trocadores de TUBO DUPLO podem ser associados série, conforme ilustra a Figura 3, com 2 grampos em série. Figura 3 - Esquema de um trocador de calor tubo duplo com 2 grampos em série. 8 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular  As Figuras de 4 a 11 mostram fotografias de trocadores de calor tubo duplo. Fonte: http://www.dellatoffola.it/Tube-in-tube-heat-exchangers_2_0_344_ Figura 4 - Fotografia de trocadores de calor tubo duplo. 9 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Fonte: http://www.biomashin.com/en/products/31/Wine/Tube-in-tube-Heat-Exchangers Figura 5 - Fotografia de trocadores de calor tubo duplo (Produçao de vinho – processamento de uva). 10 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Fonte: http://www.biomashin.com/en/products/31/Wine/Tube-in-tube-Heat-Exchangers Figura 6 - Fotografia de trocadores de calor tubo duplo (Produçao de vinho – processamento de uva). 11 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Fonte: http://www.biomashin.com/en/products/31/Wine/Tube-in-tube-Heat-Exchangers Figura 7 - Fotografia de trocadores de calor tubo duplo (Produçao de vinho – processamento de uva). 12 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Fonte:http://www.rlsequipment.com/id7.html Figura 8 - Fotografia de trocadores de calor tubo duplo. 13 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Fonte: http://www.winus.it/en/38/gallery/HEAT-EXCHANGERS.htm Figura 9 - Fotografia de trocadores de calor tubo duplo. 14 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Fonte: http://www.sahave.com.br/trocador-de-calor.php Figura 10 - Fotografia de trocadores de calor tubo duplo. 15 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Fonte: http://www.behsazettesal.com/en/products.php Figura 11 - Fotografia de trocadores de calor tubo duplo. 16 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular http://www.winus.it/pt/47/produtos/scheda/PERMUTADORES- TUBO-EM-TUBO.htm 17 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular  As equações desenvolvidas/mostradas podem ser combinadas para o esboço do projeto de um trocador bitubular. Cálculo de um Trocador com Tubo Duplo  O método consiste: obter obter hio ho para determinar: para determinar: e/ou e/ou Rd (resistência a incrustação sendo razoável) UC ou ou UD para calcular: para calcular: A 18 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Do EX.3 ( sala de aula): Resistência Resistência à TC devido à TC devido à convecção convecção no tubo no tubo INTERNO INTERNO (aço (aço 40 IPS 40 IPS de de 1¼ in in):): determinação da área de troca térmica determinação da área de troca térmica EX.3: 19 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Resistência Resistência à TC devido à TC devido à convecção convecção no tubo no tubo INTERNO INTERNO (aço (aço 40 IPS 40 IPS de de 1¼ in in):): determinação da área de troca térmica determinação da área de troca térmica (A = f(diâmetro (A = f(diâmetro interno interno do tubo do tubo interno interno) ) dimensão nominal: medida aproximada ou dimensão usada na caracterização da medida schedule: relacionado á espessura e ao diâmetro interno diâmetro interno área de troca térmica: πDL (convecção no tubo interno: Dinterno) DI = 1,380 in A` troca térmica, i = 0,361 ft2/ft . 20 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Propriedades físicas do fluido no tubo Propriedades físicas do fluido no tubo INTERNO INTERNO (benzeno (benzeno a 140 ºF a 140 ºF): ): condutividade térmica condutividade térmica 21 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Propriedades físicas do fluido no tubo Propriedades físicas do fluido no tubo INTERNO INTERNO (benzeno (benzeno a 140 ºF a 140 ºF): ): condutividade térmica condutividade térmica fluido condutividade térmica temperatura 22 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular 0,087 º q Btu k h ft F    Propriedades físicas do fluido no tubo Propriedades físicas do fluido no tubo INTERNO INTERNO (benzeno (benzeno a 140 ºF a 140 ºF): ): condutividade térmica condutividade térmica 23 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Propriedades físicas do fluido no tubo Propriedades físicas do fluido no tubo INTERNO INTERNO (benzeno a (benzeno a 140 ºF 140 ºF): ): viscosidade viscosidade 24 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Propriedades físicas do fluido no tubo Propriedades físicas do fluido no tubo INTERNO INTERNO (benzeno a (benzeno a 140 ºF 140 ºF): ): viscosidade viscosidade temperatura figura para marcar um ponto com coordenadas (x,y) traça-se uma reta a partir da temperatura no eixo da esquerda, até o eixo da direita referente a viscosidade, passando pelo ponto (x,y) referente ao fluido. viscosidade fluido x y 25 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular 4 0,39 0,39 2,42 0,39 6,72 10 q lbm lbm cP ft h ft s           Propriedades físicas do fluido no tubo Propriedades físicas do fluido no tubo INTERNO INTERNO (benzeno a (benzeno a 140 ºF 140 ºF): ): viscosidade viscosidade 26 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Propriedades físicas do fluido no tubo Propriedades físicas do fluido no tubo INTERNO INTERNO (benzeno (benzeno a 140 ºF a 140 ºF): ): massa específica massa específica 3 52,3 q lbm ft   27 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular tubo tubo INTERNO INTERNO: aço : aço 40 IPS 40 IPS de de 1¼ in in dimensão nominal: medida aproximada ou dimensão usada na caracterização da medida schedule: relacionado á espessura e ao diâmetro interno diâmetro interno DI = 1,380 in área de escoamento: πD2/4 (Dinterno) A escoamento i = 0,01040 ft2 Determinação da Determinação da velocidade velocidade do fluido no tubo do fluido no tubo INTERNO: INTERNO: necessário necessário A =f (D A =f (DI I ) 28 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Propriedades físicas do fluido no tubo Propriedades físicas do fluido no tubo INTERNO INTERNO (benzeno a (benzeno a 140 ºF 140 ºF): ): calor específico calor específico 29 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular traça-se uma reta a partir da temperatura no eixo da esquerda, até o eixo da direita referente ao calor específico, passando pelo ponto referente ao número do fluido. temperatura :140 ºF fluido: benzeno (nº 23) calor específico ≈ 0,45 0,45 º pq Btu c lbm F   Propriedades físicas do fluido no tubo Propriedades físicas do fluido no tubo INTERNO INTERNO (benzeno a (benzeno a 140 ºF 140 ºF): ): calor específico calor específico 30 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular diâmetro EXTERNO diâmetro INTERNO D1 = 1,660 in (diâmetro externo do tubo interno) D2 = 2,067 in (diâmetro interno do tubo externo) Determinação da Determinação da velocidade velocidade do fluido na região do fluido na região ANULAR: ANULAR: necessário necessário A =f (De) A =f (De) 31 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Propriedades físicas do fluido na região Propriedades físicas do fluido na região ANULAR ANULAR (água água a a 84,5 ºF 84,5 ºF): ): viscosidade viscosidade 4 0,8 5,37 10 f lbm cP ft s       . 32 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Propriedades físicas do fluido na região Propriedades físicas do fluido na região ANULAR ANULAR (água água a a 84,5 ºF 84,5 ºF): ): massa específica massa específica 3 62,3 q lbm ft   33 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Propriedades físicas do fluido na região Propriedades físicas do fluido na região ANULAR ANULAR (água água a a 84,5 ºF 84,5 ºF): ): condutividade térmica condutividade térmica   5 0,358 9,96 10 interpolando e convertendo º º f Btu Btu k h ft F s ft F         . 34 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Propriedades físicas do fluido na região Propriedades físicas do fluido na região ANULAR ANULAR (água água a a 84,5 ºF 84,5 ºF): ): calor específico calor específico temperatura :84,5 ºF fluido: água (nº 53) calor específico ≈ 1,0 1,0 º pf Btu c lbm F   35 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular tubo tubo INTERNO INTERNO: aço : aço 40 IPS 40 IPS de de 1¼ in in diâmetro externo área de troca térmica: πDL (convecção na região anular) DE = 1,660 in A` troca térmica, o = 0,435 ft2/ft Resistência Resistência TC devido à TC devido à convecção convecção na região na região ANULAR ANULAR: determinação da área de troca térmica ( determinação da área de troca térmica (A` A`= = f(diâmetro f(diâmetro externo externo do tubo do tubo interno interno) ) . 36 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular Condução através da parede do tubo Condução através da parede do tubo INTERNO INTERNO: ( : (aço aço carbono) carbono) condutividade térmica condutividade térmica   27 º valor médio w Btu k h ft F    . 37 OP2 OP2 - Trocadores Bitubular Trocadores Bitubular