Projeto Termico Trocador de Calor Duplo Tubo Anilina Tolueno

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE FURG ESCOLA DE ENGENHARIA EE Equipamentos Térmicos TURMA U Prof Dr Jorge Alberto Almeida Lucas Pereira Soares 104655 Trabalho de Equipamentos Térmicos Projeto Térmico de Trocador de Calor Tipo Duplo Tubo Rio Grande 2020 Problema Devemos aquecer 7000 lbmh de anilina de 100 a 150F resfriandose 10000 lbmh de tolueno com uma temperatura inicial de 185F em um trocador de calor duplo tubo formado por grampos com 15 ft de comprimento com tubos IPS de 2 por 1 in Uma queda de pressão de 10 psi é permitida em ambas as correntes e devemos considerar um fator de incrustação mínimo de 0005 Quantos grampos são necessários Distribuição de temperatura Figura 1 Distribuição de Temperaturas Fonte Autor 1 Fluído Quente TOLUENO 𝑇1 185 𝑇2 𝑚 10000 𝑙𝑏𝑚 ℎ 𝑃 10 𝑝𝑠𝑖 𝑅𝑑 0005 ℎ𝑓𝑡2 𝐵𝑇𝑈 Fluído Frio ANILINA 𝑡1 100 𝑡2 150 𝑚 7000 𝑙𝑏𝑚 ℎ 𝑃 10 𝑝𝑠𝑖 𝑅𝑑 0005 ℎ𝑓𝑡2 𝐵𝑇𝑈 Foi necessário estipular os valores de 𝐶𝑝 que foram obtidos através do Apêndice 2 disponibilizado pelo professor Com o uso das seguintes equações 𝐶𝑝 𝐴 𝐵𝑇 𝐶𝑇2 𝐷 1 𝑇𝑟 𝑇𝑟 𝑇 𝑇𝑐 Em que as temperaturas utilizadas foram todas em Rankine e os dados para 𝑇𝑐 também foram obtidos na mesma tabela Da mesma forma o 𝐶𝑝 da Anilina foi calculado direto com a equação acima utilizando a temperatura média 125F convertido em Rankine para entrar na tabela 𝑡 47167 R 𝐶𝑝 𝑎𝑛𝑖𝑙𝑖𝑛𝑎 𝐴 𝐵𝑇 𝐶𝑇2 𝐷 1 𝑇𝑟 Após calculado o 𝐶𝑝 𝑎𝑛𝑖𝑙𝑖𝑛𝑎 foi possível determinar o calor através da equação 𝑄 𝑚 𝐶𝑝 𝑡2 𝑡1 Após encontrar a quantidade de calor este valor foi iterado com o auxílio do software Excel na mesma equação com os dados do tolueno para chegar na temperatura 𝑇2 1465𝐹 60617𝑅 2 Temperaturas Médias 𝑡 𝑡1𝑡2 2 100150 2 125𝐹 47167 R 5167 C 𝑇 𝑇1𝑇2 2 1851465 2 16575𝐹 62542 𝑅 7431 𝐶 3 Propriedades Físicas As propriedades físicas foram obtidas das tabelas do apêndice 2 com o auxilio das equações e das temperaturas médias dos fluidos em Rankine em que Calores específicos 𝐶𝑝 𝐴 𝐵𝑇 𝐶𝑇2 𝐷 1 𝑇𝑟 𝑇𝑟 𝑇 𝑇𝑐 Massas específicas 𝜌 𝐴 𝐵𝑇 𝐶𝑇2 𝐷 𝑇𝑐 62 𝑇 Viscosidades 𝜇 242𝑒𝐴𝐵 𝑇 𝐶 𝑇2 𝐷 𝑇3 Condutividades Térmicas 𝑘 𝐴 𝐵1 𝑇𝑟 2 3 𝐶𝑇 𝑇𝑟 𝑇 𝑇𝑐 Os valores encontrados podem ser vistos na tabela a seguir Sistema Inglês Sistema Internacional Tolueno Anilina Tolueno Anilina 𝐶𝑝𝑞 04444 𝐵𝑇𝑈 𝑙𝑏𝐹 𝐶𝑝𝑓04887 𝐵𝑇𝑈 𝑙𝑏𝐹 𝐶𝑝𝑞 18602 𝑘𝐽 𝑘𝑔𝐶 𝐶𝑝𝑓 20458 𝑘𝐽 𝑘𝑔𝐶 𝜌𝑞 52022 𝑙𝑏 𝑓𝑡3 𝜌𝑓 67115 𝑙𝑏 𝑓𝑡3 𝜌𝑞 8333134 𝑘𝑔 𝑚3 𝜌𝑓 1075075 𝑘𝑔 𝑚3 𝜇𝑞 0803 𝑙𝑏 ℎ𝑓𝑡 𝜇𝑓 12056 𝑙𝑏 ℎ 𝑓𝑡 𝜇𝑞 0000313 𝑘𝑔 𝑚 𝑠 𝜇𝑓 000498 𝑘𝑔 𝑚 𝑠 𝑘𝑞 00709 𝐵𝑇𝑈 ℎ 𝑓𝑡2 𝐹 𝑘𝑓 06078 𝐵𝑇𝑈 ℎ 𝑓𝑡2 𝐹 𝑘𝑞 01226 𝑊 𝑚 𝐶 𝑘𝑓 10515 𝑊 𝑚 𝐶 𝑅𝑑 0005 ℎ 𝑓𝑡2 𝐵𝑇𝑈 𝑅𝑑 00009 𝑚2 𝐶 𝑊 4 Seleção de Tubos Tubos IPS de 2x1 com L 15ft Figura 2 Tabela A9 Fonte Apêndice 2 5 Balanço de Calor Anilina 𝑄 𝑚 𝐶𝑝𝑓 𝑡2 𝑡1 501205 𝑘𝑊 Tolueno 𝑇2 𝑇1 𝑄 𝑚 𝐶𝑝𝑞 𝑇2 1465 𝐹 60617 𝑅 6361 𝐶 6 MLDT 𝑀𝐿𝐷𝑇 𝑇1 𝑡2 𝑇2 𝑡1 𝑙𝑛 𝑇1 𝑡2 𝑇2 𝑡1 224878 𝐶 Para o tubo interno Anilina Figura 3 Distribuição dos fluídos nos tubos Fonte Autor 7 Área de Escoamento Para o tubo interno Á𝒓𝒆𝒂 𝒅𝒆 𝒆𝒔𝒄𝒐𝒂𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐 𝐷𝑖 1049 0026645𝑚 𝒂𝒕 𝜋 0026645² 4 000055758142 𝑚² 8 Velocidade do Escoamento Para o tubo interno 𝑽𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆 𝒅𝒆 𝒆𝒔𝒄𝒐𝒂𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐 𝑽𝒕 𝑚 𝜌 𝑎𝑡 317515 3600 107507548000055758142 1471345 𝑚𝑠 9 Reynolds Para o tubo interno 𝑹𝒆 𝜌 𝑉𝑡 𝐷 𝜇 10750754814713450026645 000498 84646571 10 Prandtl Para o tubo interno 𝑷𝒓 𝜇 𝐶𝑝 𝑘 000498204581000 10515 96873 11 Nusselt Para o tubo interno 𝑇𝑝 𝑇 𝑡 2 7431 5167 2 629861 𝐶 60504498 𝑅 Calculase novamente a viscosidade para a nova temperatura utilizando novamente o apêndice 2 𝜇𝑝 242𝑒𝐴𝐵 𝑇 𝐶 𝑇2 𝐷 𝑇3 𝜇𝑝 311245 103 𝑘𝑔 𝑚 𝑠 𝑵𝒖 0027 𝑅𝑒08 𝑃𝑟 1 3 𝜇 𝜇𝑝 014 000278464657108 96873 1 3 000498 311245 103 014 852614 12 Coeficiente de transferência de calor por convecção ℎ𝑖 𝑁𝑢 𝑘 𝐷 852614 10515 0026645 33647271 𝑊 𝑚2 𝐶 13 Área de Escoamento Para o anel Para o anel D1 132 0033528 m D2 2067 00525018 m 𝑎𝑎 𝜋 𝐷22 𝐷12 4 𝜋 005250182 00335282 4 000128202 𝑚2 14 Diâmetro equivalente Para o anel 𝑫𝒉 4 á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑃𝑒𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑚𝑜𝑙ℎ𝑎𝑑𝑜 𝐷22 𝐷1² 𝐷1 005250182 00335282 0033528 0048685 𝑚 15 Velocidade de Escoamento Para o anel 𝑽𝒂 𝑚 𝜌 𝑎𝑎 453592 3600 8333133000128202 11794 𝑚𝑠 16 Reynolds Para o anel 𝑹𝒆 𝜌 𝑉𝑎𝐷ℎ 𝜇 8333133117940048685 0000313 1443461907 17 Prandtl Para o anel 𝑷𝒓 𝜇 𝐶𝑝𝑞 𝑘 0000313186021000 01226 50295 18 Nusselt Para o anel Como feito anteriormente o Nusselt será calculado a partir da temperatura média utilizando a mesma tabela e equação do apêndice 2 𝑇𝑝 𝑇 𝑡 2 7431 5167 2 629861 𝐶 60504498 𝑅 𝜇𝑝 242𝑒𝐴𝐵 𝑇 𝐶 𝑇2 𝐷 𝑇3 𝜇𝑝 3662128 104 𝑘𝑔 𝑚 𝑠 𝑵𝒖 0027 𝑅𝑒08 𝑃𝑟 1 3 𝜇 𝜇𝑝 014 0027 144346190708 50295 1 3 0000313 3662128 104 014 6118104 19 Coeficiente de transferência de calor por convecção ℎ𝑒 𝑁𝑢 𝑘 𝐷ℎ 6118104 01226 0048685 15406545 𝑊 𝑚2 𝐶 20 Temperatura da parede 𝑡𝑤 𝑡𝑐 ℎ𝑜 ℎ𝑖𝑜 ℎ𝑜 𝑇𝑐 𝑡𝑐 516667 15406545 336472710026645 0033528 15406545 743056 516667 5995 𝐶 O valor arbitrado anteriormente de 6298 C não apresenta diferença significativa portanto os coeficientes de transferência de calor por convecção calculados estão corretos Calculo da Área 21 Coeficiente Global de Troca Térmica Adotando um valor de k considerando uma tubulação de aço interpolando os valores do quadro 3 do apêndice 1 na página 15 chegase a um 𝑘 45 𝑊 𝑚𝐶 𝑈𝑒 1 𝑑𝑒 𝑑𝑖ℎ𝑖 𝑑𝑒𝑅𝑑𝑖 𝑑𝑖 𝑑𝑒ln 𝑟𝑒 𝑟𝑖 2𝑘 𝑅𝑑𝑒 1 ℎ𝑒 1 0033528 002664533647271 003352800009 0026645 0033528ln0033528 0026645 245 00009 1 15406545 3183529 𝑊 𝑚2𝐶 22 Área total de troca térmica 𝐴 𝑄 𝑈 𝑀𝐿𝐷𝑇 501205𝑊 3183529 𝑊 𝑚2 𝐶 224878 𝐶 70010 𝑚2 23 Número de Tubos 𝑁𝑡 70010 𝜋 00335284572 1454 O número de tubos deve ser inteiro portanto usaremos 14 tubos 𝐴 𝜋 𝐷𝑒 𝐿 𝑁𝑡 𝜋 0033528457214 67420 𝑚2 Analisando o erro 𝐸𝑟𝑟𝑜 𝐴𝐴 𝐴 100 6742070010 70010 100 37 5 Quanto a troca de calor o trocador é satisfatório 24 Número de grampos 𝑁𝑔 𝑁𝑡 2 14 2 7 𝐺𝑟𝑎𝑚𝑝𝑜𝑠 Perda de carga no tubo interno 25 Fator de Atrito 𝑓 00035 0264 𝑅𝑒042 00035 0264 84646571042 000941573 26 Perda de Carga no tubo 𝑝𝑡 4𝑓 𝐿 𝐷 𝑉2 2 𝜌 4000941573 457214 0026645 14713452 2 1075075 1527 𝑝𝑠𝑖 10 𝑝𝑠𝑖 Neste ponto a pressão é superior à permitida portanto uma alternativa será buscada Perda de carga no anel 27 Diâmetro equivalente 𝐷ℎ 4 á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑒𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑚𝑜𝑙ℎ𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜 00525018 0033528 00189738 m 28 Reynolds para perda de carga no anel 𝑅𝑒 𝜌𝑉𝑎𝐷ℎ 𝜇 83331331179400189738 0000331 5625538 29 Fator de atrito 𝑓 00035 0264 𝑅𝑒042 00035 0264 5625538042 0006170 30 Perda de carga no anel 𝑝𝑎 4𝑓 𝐿 𝐷ℎ 𝑉2 2 𝜌 40006170 64008 00189738 117942 2 8333133 6895 69985 𝑝𝑠𝑖 31 Perda de carga na entrada e na saída 𝑝𝑔 117942 2 8333133 6895 00841 𝑝𝑠𝑖 32 Perda total 𝑝𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑎𝑛𝑒𝑙 𝑝𝑎 𝑝𝑔𝑁𝑔 69985 00841 7 75868 𝑝𝑠𝑖 10 𝑝𝑠𝑖 Portanto para as condições no anel o arranjo atendeu ao solicitado Entretanto os tubos não atenderam á etapa 26 desta forma o sistema foi refeito alterando os fluidos de tubos e alterando suas dimensões através do software excel As contas não serão apresentadas novamente mas o processo feito foi o descrito no trabalho mas para os tubos de 3 x 1 12 Figura 4 Tubo que atendeu a todas condições Fonte Autor