Slide - Aula 9 Trocador de Calor do Tipo Tubo-duplo 2020-1

Transferência de Calor - IT 355 Prof. Paulo Jansen de Oliveira 2020-1 Aula 9 (9/03/2021) Trocador de calor do tipo tubo-duplo UFRRJ BALANÇO MATERIAL DO TROCADOR DE CALOR Trocadores de calor tubo-duplo Professores Carolina Guedes Fioravante Rezende Paulo Jansen de Oliveira 2 Aula de 09/03/2021 TROCADORES DE CALOR ▪ AQUECEDORES – (USA VAPOR); ▪ REFRIGERADORES – (RESFRIAR LIQUIDOS –H20); ▪ CONDENSADORES – (REMOVE CALOR LATENTE); ▪ REFERVEDORES – (SUPRIR CALOR – PROCESSOS DE DESTILAÇÃO – CALOR LATENTE); ▪ EVAPORADORES – (CONCENTRAR UMA SOLUÇÃO – PODE ENVOLVER CALOR SENSÍVEL E LATENTE) 3 ▪ Quais os aspectos mais importantes no projeto de um trocador de calor? c v c v c v c v c v c v c v c v c v 4 Tubo interno Tubo externo Cabeçote ou anel ▪ Quais os aspectos mais importantes no projeto de um trocador de calor? ✓Determinar a quantidade de calor necessária a ser trocada entre dois fluídos (Q= BTU/h) 5 ✓Determinar a área e o comprimento do trocador de calor (A= ft2, L=ft); A = 2 π. R. L - recomendação até ≌ 400 ft2, ≌ 122 m2 ✓Determinar a perda de carga exigida. (ft) ▪ Resumo ✓Determinar a área e o comprimento do trocador de calor (A= ft2, L=ft); A = 2 π. R. L - recomendação até ≌ 400 ft2, ≌ 122 m2 6 ✓Comprimento típico do tubo. (Ft) Recomendação L = 12, 15, 20 ft ✓Determinar a perda de carga exigida. (ft) Recomendação Para líquidos: 6 ≤ ΔP ≤ 12 (psi) Para gases: 0,5 ≤ ΔP ≤ 3 (psi) Q =Quantidade de calor trocado (BTU/h) A =Área de troca térmica (ft2) ∆TML =Temperatura média logarítmica (ºF) UD = Coeficiente Global de Troca Térmica (BTU/h. ft2.ºF) 7 I- Tipos de Escoamentos Escoamento em paralelo Escoamento em contra corrente 8 Tubo duplo- ESCOAMENTO EM CONTRA-CORRENTE COMO AVALIAR O PERFIL DE TEMPERATURA AO LONGO DO TROCADOR DE CALOR ? TERMINAL TERMINAL (T 1) (T 2) (t 1) (t 2) 9 ESCOAMENTO EM CONTRA-CORRENTE (FLUIDO QUENTE) – tubo interno (FLUIDO FRIO ) – tubo externo TERMINAL TERMINAL (t 1) (t 2) (T 1) (T 2) TERMINAL TERMINAL (T 1) (T 2) (t 1) (t 2) 10 (FLUIDO QUENTE) (FLUIDO FRIO) TERMINAL TERMINAL (t 1) (t 2) (T 1) (T 2) ESCOAMENTO EM PARALELO (FLUIDO FRIO) (FLUIDO QUENTE) V V 11 (t 1) (t 2) (T 1) (T 2) ESCOAMENTO EM PARALELO (CONDENSADOR) (FLUIDO FRIO) (FLUIDO QUENTE) V V FLUIDO QUENTE -CONDENSADO (FLUIDO FRIO) TERMINAL TERMINAL (t 1) (t 2) (T 1) (T 2) (t1 = t2) 12 ESCOAMENTO EM PARALELO (REBOILER) (FLUIDO FRIO) (FLUIDO QUENTE) V V FLUIDO QUENTE (FLUIDO - EBULIÇÃO) TERMINAL TERMINAL (t 1) (t 2) (T 1) (T 2) (T 1 = T 2) 13 ∆Tq = Variação do terminal Quente ∆Tf = Variação do terminal frio ✓Como determinar ∆Tq, ∆Tf ? 14 ∆T = 100ºF (FLUIDO QUENTE - TUBO) (FLUIDO FRIO -CARCAÇA TERMINAL TERMINAL (t1 =400ºF) (t 2 = 250º F) (T 1 =100º F) (T 2 = 200ºF) ∆T = 200ºF TERMINAL QUENTE (MAIOR TEMPERATURA) TERMINAL FRIO (MENOR TEMPERTAURA) ∆Tf = 150ºF ∆Tf = 200ºF T1 =100ºF T2 = 200ºF t2 = 250ºF t1 = 400ºF EX: 1 - CC 15 (FLUIDO QUENTE - TUBO) (FLUIDO FRIO -CARCAÇA Terminal frio Terminal Quente (t1 =400ºF) (t 2 = 250º F) (T 1 =100º F) (T 2 = 200ºF) ∆Tq = 150ºF ∆Tf = 200ºF 16 ∆TML = (200-150)/ Ln (200/150) = 173,08ºC (FLUIDO QUENTE - TUBO) (FLUIDO FRIO -CARCAÇA TERMINAL TERMINAL (t1 =400ºF) (t 2 = 250º F) (T 1 =100º F) (T 2 = 200ºF) ∆Tf = 75ºF ∆Tq = 200ºF TERMINAL QUENTE (MAIOR TEMPERATRA) TERMINAL FRIO (MENOR TEMPERTAURA) ∆Tq = 300ºF ∆Tf = 50º F (FLUIDO QUENTE) (FLUIDO FRIO) T1 =100ºF T2 = 200ºF t2 = 250ºF t1 = 400ºF EX : 1 - PP 17 (FLUIDO QUENTE - TUBO) (FLUIDO FRIO -CARCAÇA TERMINAL TERMINAL (t1 =400ºF) (t 2 = 250º F) (T 1 =100º F) (T 2 = 200ºF) ∆Tf = 50ºF ∆Tq = 200ºF (FLUIDO QUENTE) (FLUIDO FRIO) 18 ∆TML = (300-50)/ Ln (300/50) = 139,52ºC COMPARAÇÃO ENTRE OS ESCOAMENTOS Troca a mesma quantidade de calor com uma área menor 19 ∆TMLcc =173,08ºC ∆TMLpp = 139,52ºC Quando eu devo usar contra-corrente ou em paralelo? 20 Qual o valor do ΔTML ? 21 T1 =100ºF T2 = 200ºF t2 = 200ºF t1 = 400ºF ∆TML = (300-0)/ Ln (300/0) = 0ºC Q= Ud . A. ∆TML = 0 BTU/H ???? http://www.cesgranrio.org.br/pdf/petrobras0112/provas/PROVA%2017%20- %20ENGENHEIRO(A)%20DE%20EQUIPAMENTOS%20J%C3%9ANIOR%20-%20MEC%C3%82NICA.pdf 22 Aspectos teóricos para o projeto de trocadores de calor tubo-duplo 24 Fluido quente Fluido frio Qq = mq . Cpq. (Tq – T) [cal] Qf = mf . Cpf. (Tf – T) [cal] Tq – temp. fluido quente Tf – temp. fluido frio T – temp. final Qq = Qf; [cal] 1º CONDIÇÃO a) Quando o fluido quente está no interior do tubo: Área de referência será a SUPERFÍCIE EXTERNA do tubo interno ÁREA DA SUPERFÍCIE EXTERNA DO TUBO ÁREA DA SUPERFÍCIE INTERNA DO TUBO FLUÍDO QUENTE NO INTERIOR DO TUBO FLUÍDO FRIO NA CARCAÇA Fluido Frio Parede hi = coeficiente de transferência convectivo no lado interno do tubo ho = coeficiente de transferência convectivo no lado externo do tubo Ai = área da superfície interno do tubo Ao = área da superfície externa do tubo Q’ = quantidade de calor trocado por convecção pelo fluido no interior do tubo Q’’ = quantidade de calor trocado por conveção pelo fluido na superfície externa do tubo ho hi TROCAS DE ENEGIAS NO FLUIDO POR CONVECÇÃO 26 hi ho R3= (1/ho.Ao) R1 = (1/(hi.Ai) Q’ = hi . Ai. (∆T) Q’’ = ho . Ai. (∆T) R2= pequeno Ótimo condutor Rt = R1 + R2 + R2 = R1 + R3 = 1/(hi.Ai) + 1/ho.Ao) Rt = (1/U.A(ext)) 1/U.A(ext) = 1/(hi.Ai) + 1/(ho.Ao) (1/U) = (1/hio) + (1/ho) IMPORTANTE 27 Rt = R1 + R2 + R2 = R1 + R3 = 1/(hi.Ai) + 1/ho.Ao) Rt = (1/Ud.A(ext)) 1/U.A(ext) = 1/(hi.Ai) + 1/(ho.Ao) (1/Uc) = (1/hio) + (1/ho) 28 eq. 3 eq. 5 eq. 4 ] D =di = diâmetro interno do tubo Tabela 10 - Kern ✓ Obter as propriedades do fluido com valor de tc Como determinar ( JH ) ? ✓ CÁLCULO DO (hi) - COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA CONVECTIVO DO TUBO 29 (1/U) = (1/hio) + (1/ho) ] ✓ CÁLCULO DO (ho) - COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA CONVECTIVO DO TUBO EXTERNO Como determinar ( JH ) ? 30 Deq = diâmetro equivalente Deq = diâmetro de um tubo de área igual a área da seção anular 31 Área anular de escoamento S = área de seção de escoamento P = perímetro molhado Para cálculo da troca de calor Para cálculo da perda de carga hi = Jh (k/D) (cpμ/k)^(1/3) (μ/μw)^0.14 Resistência de depósito Rd di do TUBO Falta obter ( Rd ) ( Rd ) – Tabelado 33 t2 t1 T1 T2 Fator de depósito INCRUSTAÇÃO (Rd) 34 T1 t2 t1 T2 Superfície Interna do tubo interno Tubo Incrustação Na superfície interna do tubo Incrustação Camada de Incrustação 35 Camada de depósito (incrustação) Fluído externo Superfície Externa do tubo interno Tubo Incrustação Na superfície interna Camada de Incrustação Na superfície Externa Tubo GERA UMA RESISTÊNCIA ADICIONA À TROCA TÉRMICA Rd 36 APPENDIX OF CALCULATION DATA TABLE 12. Fouling Factors* Water Temperature of heating medium......... Up to 240°F............. 240–400°F Temperature of water...................125°F or less.......... Over 125°F Water velocity, fpa 3 ft Over 3 ft Over and less 3 ft and less 3 ft Sea water.......................................0.0006........ 0.0005 ........ 0.001........ 0.001 Brackish water.................................0.002.........................0.002.....................0.002 Cooling tower and artificial spray pond: Treated make-up................................0.002........................0.003....................0.003 Untreated...........................................0.003........................0.003.....................0.003 City or well water (such as Great Lakes).......0.003.......................0.004...................0.003 Great Lakes:........................................0.006.........................0.010.....................0.003 River water: Minimum..........................................0.001 ......................0.002....................0.002 Mississippi....................................... 0.002.........................0.003.....................0.004 Delaware, Schuylkill.........................0.003.........................0.003.....................0.003 East River and New York Bay.........0.003........................0.003........................0.005 Chicago sanitary canal....................0.003.........................0.005........................0.006 Muddy or silty ...................................0.003........................0.002.......................0.004 Hard (over 15 grains/gal)..................0.006...................0.010........................0.003 Engine jacket......................................0.003........................0.002.......................0.004 Distilled..................................................0.001........................0.001........................0.001 Treated boiler feedwater.................0.0005...................0.005..........................0.005 Boiler blowdown................................0.002.........................0.002........................0.002 Oils (industrial): Fuel oil..................................................0.005 Clean recirculating oil.........................0.001 Machinery and transformer oils...0.001 Quenching oil......................................0.004 Vegetable oils........................................0.003 Gases, vapors (industrial): Coke-oven gas, manufactured gas................0.001 Distillate bottoms, 25°API or above.............0.002 Organic vapors............................................0.005 Steam (non-oil bearing)..........................0.005 Alcohol vapors........................................0.003 Steam, exhaust (oil bearing from reciprocating engines) 0.001 Refrigerating vapors (condensing from reciprocating comp.) ...........0.001 Process air................................................0.002 Airs..............................................................0.002 Overhead treated vapors.....................0.001 Overhead vapors to oil: From bubble tower (partial condenser)..............0.001 From flash pot (no appreciable reflux).................... 0.003 *Ratings in the last two columns are based on a heating medium temperature of 240 to 400°F. If the heating medium temperature is over 400°F, and the cooling medium is known to make these ratings should be modified accordingly. ♦ Standards of Tubular Exchange Manufacturers Association, 2d ed., New York, 1949. FATOR (Rd) : TABELADO Fouling Resistances for Water Temperature of Heating Medium Temperature of Water Water Velocity (m/s) R_f (m² . K/W) Up to 115°C 115 to 205°C 50°C Over 50°C 0.9 and Less Over 0.9 0.9 and Less Over 0.9 Seawater 0.000088 0.000176 0.000176 0.000176 Brackish water 0.000352 0.000176 0.000528 0.000352 Cooling tower and artificial spray pond: Treated make up 0.000176 0.000176 0.000352 0.000352 Untreated 0.000528 0.000528 0.000881 0.000705 City or well water 0.000176 0.000176 0.000352 0.000352 River water: Minimum 0.000176 0.000176 0.000528 0.000352 Average 0.000352 0.000352 0.000705 0.000528 Muddy or silty 0.000528 0.000528 0.000705 0.000528 Hard (over 15 grains/gal) 0.000528 0.000528 0.000881 0.000881 Engine jacket 0.000176 0.000176 0.000176 0.000176 Distilled or closed cycle 0.000088 0.000088 0.000088 0.000088 Condensate 0.000088 0.000088 0.000088 0.000088 Treated boiler feedwater 0.000176 0.000176 0.000176 0.000176 Boiler blowdown 0.000352 0.000352 0.000352 0.000352 From Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association (1988). ©1988 by Tubular Exchanger Manufacturers Association. With Permission. T1 =100ºF, (40º API) T2 = 200ºF t2 = 200ºF t1 = 350ºF PERDA DE CARGA TUBO ➢ ( di ) – Diâmetro interno do tubo interno ➢ f = fator de atrito ➢ L = comprimento do tubo ➢μ – viscosidade do fluido ➢μw – viscosidade do fluido na parede do tubo 40 Fig. 26. Tube-side friction factors. (Standards of Tubular Exchanger Manufacturers Association, 2d ed., New York, 1949.) PERDA DE CARGA NO RETORNO DO TUBO Return pressure loss/pass = 4×(velocity head)s Total return pressure loss = (velocity head)s × passes or, ΔP_r = 4n V^2/2g'144 g' = Acceleration of gravity, ft/sec^2 n = Number of tube passes ΔP_r = Return pressure drop, psi s = specific gravity V = Velocity, fps Fig. 27. Tube-side return pressure loss. PROJETO DO TROCADOR ✓Existem várias estratégias para se projetar um trocador de calor PROJETO ESCOLHER O TROCADOR QUE SE ADEQUA AS EXIGÊNCIA FAZER ESCOLHAS DAS PEÇAS, TUBOS E ETC DEFINIR AS CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO AVALIAR SE O TROCADO ESTÁ DENTRO DAS ESPECIFICAÇÕES DE FUNCIONAMENTO 43 ] ALGORITMO PARA PROJETO DO TROCADO DE CALOR TUBO DUPLO 44 ] ALGORITMO PARA PROJETO DO TROCADO DE CALOR TUBO DUPLO 45 ITEM Unidade Espaço anular Tubo interno Fluido - A B Fluxo mássico Lb/h Ws W diâmetros ft Deq di Temperatura de entrada ºF T1 t1 Temperatura de saída ºF T2 t2 Calor especifico BTU/lb.ºF Cps Cp Densidade Lb/ft3 ρs ρ Condutividad e térmica BTU/lb.ft.ºF Ks k Fator de deposito h.ft2.ºF/BTU Perda de carga psi ∆P ∆Pt + ∆Pr Ficha de especificações ] I - BALANÇO PARA O LADO DO TUBO 1) Fluxo mássico no tubo (lb/h.ft2) 46 2) Coeficiente de transferência convectivo de calor no tubo interno, (BTU/h.ft2.F) D =di = diâmetro interno do tubo Tabela 10 - Kern Vazão: W ; (Lb/h) ] I - BALANÇO PARA O LADO DO TUBO 3) Determinação do número de Reynolds 4) Determinação da perda de carga do tubo e do retorno (psi) ] I - BALANÇO PARA O LADO DO TUBO 5) Fluxo mássico no tubo (lb/h.ft2) 48 7) Coeficiente de transferência convectivo de calor no tubo externo (ho), (BTU/h.ft2.F) II - BALANÇO PARA O TUBO EXTERNO 8) Determinação do número de Reynolds 6) Área de seção anular (aa) ; (ft2) Vazão: Ws ; (Lb/h) ] I - BALANÇO PARA O LADO DO TUBO 9) Perda de carga (psi) II - BALANÇO PARA O TUBO EXTERNO ➢ ( Deq’ ) – Diâmetro equivalente para perda de carga; ➢ f = fator de atrito ; ➢ L = comprimento do tubo ➢ g = 4,18.108 ft/h ➢f = fator de atrito – pg 39 kerrn Continuação do algoritmo ] ∆Tq = Variação do terminal Quente ∆Tf = Variação do terminal frio 13) Determinação do ΔTML 15) Determinação do fator de deposito – pg 666 kern 14) Corrigir o hi Continuação do algoritmo ] 16) Cálculo do UD (1/Ud) = (1/hio) + (1/ho) + Rd Tabela 10 - Kern OBRIGADO ✓ PERGUNTAS?