Dimensionamento de Trocador de Calor para Resfriamento de Gasolina com Água - Estudo de Caso

54 EXEMPLO Dimensionar um trocador de calor para resfriar 110668 lbmh de gasolina de 219F até 100F com água a 86F aquecendo até 100F A pressão de operação da gasolina é 162 psi e a da água 88 psi Solução 541 Dados iniciais lbm h 1 F T o 2 F T o Pop psi P psi Fluido Vazão Gasolina 110668 219 100 162 25 Água 86 100 88 25 542 Localização dos fluidos água de resfriamento no lado dos tubos gasolina no lado do casco 543 propriedades térmicas dos fluidos Obs Como os dados iniciais fornecem as temperaturas de entrada e saída dos dois fluidos é possível determinar a temperatura média de cada fluido e as propriedades caso contrário seria necessário realizar primeiro o balanço de calor F o 3 ft lbm F lbm BTU o ft F h BTU o lbm ft h BTU F h ft o 2 Fluido Gasolina Água Temperatura média 1596 93 Massa específica 443 6224 Calor específico 054 0998 Condutividade térmica 007 034 Viscosidade dinâmica 0665 169 Fator de incrustação 0002 0002 544 Balanço de calor t t t t c c c c T m Cp Q T m Cp Q 219 100 0 54 110668 c Q BTU h Qc 7087833 h lbm t t Cp Q m t t t 506696 86 100 998 0 7087833 1 2 545 Pressões e temperaturas de projeto Casco Pp 20 194psi 162 21 F T o p 50 269o F 50 219 Pp 20 105psi 88 21 F T o p 50 150o F 50 100 maior do que a maior temperatura de operação maior do que a maior temperatura de operação Tubos maior do que a pressão de operação maior do que a pressão de operação 100 219 546 Cálculo da Tm 5461 Média logarítmica das diferenças de temperatura MLDT 100 F Ta 119o F Tb 14o F Tb Ta Tb Ta MLDT o 49 14 119 ln 14 119 ln 86 Gasolina Água 5462 Escolha do tipo de trocador 10 86 219 86 100 1 1 1 2 t T t t P 58 86 100 100 219 1 2 2 1 t t T T R 1 trajeto no casco e 246 ou mais nos tubos F 0 83 5463 Cálculo da diferença de temperatura média Tm F MLDT F T o m 40 7 0 83 49 5464 Verificação da necessidade de cabeçote flutuante F F T T T o o c t c 50 33 3 2 93 159 6 159 6 2 0 002 de R não é necessário o uso de cabeçote flutuante devido à diferença de temperatura mas como então usar cabeçote flutuante Tipo construtivo AES Trocador de calor tipo AES 1 passagem no casco 4 passagens nos tubos 547 Dimensionamento dos bocais Tubos s ft Vmáx 10 pol pés V m D máx t t b mín 56 0 542 10 3600 24 62 506696 4 4 pol D D bt bt 8 2 1 Casco s pés V c máx 8 23 44 3 3000 3000 pol pés V m D máx c c b mín 93 0 325 8 23 3600 3 44 110668 4 4 pol D D bc bc 6 2 1 548 Estimativa da área de troca térmica 5481 U estimado O valor de U é estimado de acordo com a Tabela 57 Líquido orgânico leve e água Uestimado 70 F ft h BTU o 2 5482 Área estimada 2 2496 3 70 40 7 7087833 pé T U Q A m 5483 Geometria adotada para o lado dos tubos BWG 14 pés L 20 pol de 0 75 34 pol di 0 584 como usar arranjo quadrado com passo s 1 pol 0 002 de R 5484 Número de tubos 646 12 2 2 20 12 75 0 3 2496 2 e L de A n Obs e espessura dos espelhos foi estimado 2 pol e deve ser verificado no projeto mecânico Material dos tubos latão 5485 Número de tubos adotado e área disponível Adotando inicialmente um trocador com um número de trajetos nos tubos igual a 4 Nt 4 da tabela de distribuição de tubos de Perry 1980 com e de L n A 2 de 075 pol s 1 pol cabeçote TEMA S Nt 4 resulta 2 263357 12 2 2 20 12 682 0 75 pés A n 682 tubos e Di 33 pol VERIFICAÇÃO DA GEOMETRIA PROPOSTA 549 Coeficiente de película dentro dos tubos s pés di N n m V t t t t 16 7 3600 144 4 584 0 4 24 682 62 506696 4 2 2 43217 79 12 1 0 584 3600 716 6224 t t t t V di Re escoamento turbulento para o coeficiente de película interno ao tubo será utilizada a equação de SiederTatte 4 92 365 0 0 998 179 t t t t k Cp Pr 2401 153 179 4 92 027 43217 0 027 0 14 0 80 14 0 13 80 3 1 p t Pr Re Nu F ft h BTU di Nu k hi o t t 18013 584 0 0 365 12 1 240 2 5410 Perda de carga no lado dos tubos 54101 P nos bocais s pés D m V bt t t bt 54 6 7 981 24 62 506696 144 4 4 2 2 psi V P bt t bt 0 514 144 32 2 2 6 54 81 6224 2 81 2 2 54102 P na contração expansão e retorno no cabeçote psi V N P t t t cer 219 144 32 2 2 716 4 6224 61 2 61 2 2 54103 P linear Obs Tubos de cobre e ligas E0000005 pé Fator de atrito de Churchill 20 16 90 16 90 219 10 3 12 584 0 0 000005 27 0 43217 7 1 457ln 2 0 27 7 1 2 457ln di E e R A 0105 43217 37530 530 37 16 16 Re B 00272 0 0105 219 10 3 1 43217 8 1 8 12 1 12 1 32 20 12 2 3 12 B A Re fC 541031 Correção do fator de atrito devido ao escoamento não isotérmico F T di T de hi U R T T o t c di t ti 108 3 93 0 584 159 5 75 0 3 1801 1 0 002 70 93 1 541032 Viscosidade da água na Tti ti 153 0 978 179 53 1 0 14 14 0 t ti 541033 Fator de atrito corrigido 0 00266 0 00272 0 978 f f 541034 Cálculo da perda de carga linear psi N V di L f P t t t D l 12 8 144 4 32 2 2 716 24 62 584 0 0 00272 20 12 8 2 2 2 541035 Correção da perda de carga devido à formação de depósitos Tabela 511 psi Pl 14 5 120 1280 541036 Perda de carga total nos tubos 2193 14 5 0 514 f contr ex p cabeç bocais c t P P P N P 1715 tP Obs O valor da perda de carga tem como limite o valor de 25 psi 5411 Geometria do lado do casco Di 33 pol de 075 pol s 1 pol TEMA AES A relação próximo aos valores recomendados 271 7 33 20 12 Di L 54111 Número aproximado de tubos na fileira central 311 682 119 119 n nc 54112 Diâmetro do feixe de tubos Df pol de s n D c f 30 8 0 75 1 1 311 1 f bc mín l D l 1 1 1 f bc mín l D l 2 2 2 54113 Espaçamento das chicanas na entrada e saída Figuras 517 e 518 l1f e l2f Pressão de projeto no casco psi pprj 194 l1f 822 pol f bc mín l D l 1 1 1 8 22 6 1 mín l pol l mín 1422 1 l2f 1548 pol f bc mín l D l 2 2 2 1548 6 2 mín l pol l mín 48 21 2 54114 Corte da chicana Escolhendo o corte da chicana corresponde a logo 16 Di H l 5 Di pol Di l 66 5 33 5 54115 Número de chicanas Adotando l1 155 pol e l2 225 pol para que o número de chicanas resulte um número inteiro 31 1 66 22 5 15 5 2 2 20 12 1 2 1 l l l L NB 5412 Cálculo da perda de carga do lado do casco 54121 Variáveis auxiliares Da Figura 514 com e se obtém Di 16 H 133 0 75 1 de s Y 417 0 31 e Np 5412 Cálculo da perda de carga do lado do casco 54121 Variáveis auxiliares Da Tabela 510 01 Cx 0 97 b C 0 2425 1 0 75 0 971 s de C s C b a 2 4934 30 8 66 0 2425 pol C l D S f a c 38 0 1 0 31 33 80 1 80 1 s D N F i p p seção 5321 54122 Área de escoamento no casco 2 12828 0 38 4934 pol F S S p c cf 54123 Vazão mássica no casco 2 1242311 28 128 668 144 110 pé h lbm S m G cf c cf 54124 Número de Reynolds no casco 11678 2 665 12 0 0 75 1242311 c cf p de G Re 54125 Fator de atrito no casco Da Figura 514 em função de Re11678 e s de 133 0 46 cf 0 46 cf 54126 Correção do fator de atrito no casco para escoamento não isotérmico Considerando a temperatura da parede interna do tubo aproximadamente igual a temperatura da superfície externa F T o te 1081 1036 0 665 858 0 0 14 14 0 c te 54127 Perda de carga no casco 14 0 2 1 1 2 4 c te B c cf c c Di Y s s N Di Di H Cx f G P psi Pc 5 52 1036 33 417 1 1 31 1 1 016 33 144 3600 1 1 32 2 44 3 2 1242311 0 46 4 2 2 54128 Perda de carga nos bocais do casco s pé D m V c c c bc 46 3 3600 12 6 065 3 44 110668 4 4 2 2 0 0 00103 6 3 44 42 2 665 0 bc c c D da figura 522 obtémse Z 037 psi gZ P c bocal 0111 144 2 32 0 37 32 2 44 3 0 0 00103 bc c c D s pé Vbc 3 46 Z 037 ft gZ P c bocal 144 2 32 0 37 32 2 3 44 bocal P psi Pbocal 0111 54129 Perda de carga total no casco 5 74 0111 1 0111 5 52 2 1 c b b c c total N P P P P Obs A perda de carga é menor do que a permitida 25 psi 5413 Coeficiente de película do lado do casco 54131 Variáveis auxiliares Em função de e se obtém na Figura 514 Di 16 H 1333 0 75 1 de s 101 M 0 663 Nh 5413 Coeficiente de película do lado do casco 54131 Variáveis auxiliares 101 M 0 663 h N 208 0 1 0 663 33 1 1 1 1 s D N F i h h 54132 Área de escoamento no casco 2 239 7 208 0 101 49 3 pol F S M S h c ch 54133 Vazão mássica no casco 2 66478 4 7 239 668 144 110 pé h lbm S m G ch c ch 54134 Número de Reynolds no casco 6249 2 665 12 0 0 75 66478 4 c ch h de G Re 54135 Coeficiente de película no casco Da Figura 514 Re 6249 jH58 58 14 0 3 1 te c h r P Nu j 511 07 0 0 54 0 665 c c c k Cp Pr 97 4 0 858 0 665 511 58 14 0 13 Nu F pé h BTU de Nu k h k de h Nu o c eb c eb 1 109 12 75 0 0 07 4 97 2 Fator de correção devido ao efeito de entrada no casco 0 924 236 198 236 66 2 198 2 2 20 12 198 2 6 0 6 0 L l L l l L l E B B B c F pé h BTU E h h o c eb e 10086 0 924 1091 2 5414 Coeficiente global de troca térmica Condutividade térmica da parede do tubo latão F T o pt 1081 pé F h BTU k o t 57 7 e de t di i h R di de k de di de R h di de U 1 ln 2 1 5414 Coeficiente global de troca térmica pé F h BTU k o t 57 7 e de t di i h R di de k de di de R h di de U 1 ln 2 1 pol di 0 584 pol de 0 75 BTU F h ft Rd o e 002 0 2 BTU F h ft Rd o i 002 0 2 F ft h BTU hi o 18013 2 F ft h BTU he o 100 8 2 8 100 1 002 0 0 584 0 75 1257 7 ln 2 75 0 584 0 002 0 75 0 584 03 1801 75 0 1 U F ft h BTU U o 6523 2 5415 Área de troca térmica necessária 2 2679 23 40 7 65 7087833 pé T U Q A m 5416 Desvio em relação a área disponível 71 100 633 6 2 2633 6 2679 100 A A A Desvio O significado de um desvio positivo é que em relação à área disponível falta 17 de área de troca térmica pois em função da geometria adotada o trocador necessita 2679 pé2 de área de troca térmica e só dispõe de 26336 pé2 SE o erro for maior do que 5 Como passo seguinte podese modificar a geometria para aumentar a perda de carga e o coeficiente de película no casco ou substituir o coeficiente global de troca térmica calculado no lugar do estimado no passo 8 item 548 e propor nova geometria até que o desvio seja inferior a 5