SUMÁRIO

SUMÁRIO 1

1.Introdução 2

2.Objetivo 3

3.Revisão teórica 3

7

7

4.0 Materiais e métodos 9

  1. Introdução

Trocador de calor é o dispositivo usado para realizar o processo da troca térmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas. Este processo é comum em muitas aplicações da Engenharia tais como: refrigeração e condicionamento de ar. Podemos utilizá-los no aquecimento e resfriamento de ambientes, no condicionamento de ar, na produção de energia, na recuperação de calor e no processo químico, produção automotiva, produção de offshore de óleo e gás, produção de aço e outros metais, mineração, etc. Em virtude das muitas aplicações importantes, a pesquisa e o desenvolvimento dos trocadores de calor têm uma longa história, mas ainda hoje se busca aperfeiçoar o projeto e o desempenho de trocadores baseados na crescente preocupação pela conservação de energia.

O dimensionamento e especificação de um trocador de calor para executar com eficiência e economia em um serviço específico é um pouco mais complicada do que se pensa normalmente. Muitas variáveis - pressão de projeto, vazão, queda de pressão, velocidade no bocal e compatibilidade, entre outras - devem ser consideradas antes de se selecionar um modelo para o trabalho específico.

Podemos classificar os trocadores de diversas maneiras: quanto ao modo de troca de calor, quanto ao número de fluidos, tipo de construção, etc. De uma forma mais básica, duas classificações vão nos interessar: aquela que divide os trocadores entre aqueles que utilizam o contato direto e os de contato indireto e outra que os classifica em função das suas características de construção.

  1. Objetivo

Estudar a eficiência do trocador de calor e correlações para coeficiente de película, comparando a efetividade do escoamento em contracorrente e paralelo.

  1. Revisão teórica

3.1. Trocadores de calor de contato indireto

Em um trocador de calor de contato indireto, os fluidos permanecem separados e o calor é transferido continuamente através de uma parede, pela qual se realiza a transferência de calor. Os trocadores de contato indireto classificam-se em: trocadores de transferência direta e de armazenamento.

3.2. Tipo de trocadores de transferência direta

Neste tipo, há um fluxo contínuo de calor do fluido quente ao frio através de uma parede que os separa. Não há mistura entre eles, pois cada corrente permanece em passagens separadas. Este trocador é designado como um trocador de calor de recuperação, ou simplesmente como um recuperador. Alguns exemplos de trocadores de transferência direta são trocadores de: placa, tubular, e de superfície estendida. Recuperadores constituem uma vasta maioria de todos os trocadores de calor.

3.3. Trocadores de armazenamento

Em um trocador de armazenamento, os ambos fluidos percorrem alternativamente as mesmas passagens de troca de calor . A superfície de transferência de calor geralmente é de uma estrutura chamada matriz. Em caso de aquecimento, o fluido quente atravessa a superfície de transferência de calor e a energia térmica é armazenada na matriz. Posteriormente, quando o fluido frio passa pelas mesmas passagens, a matriz “libera” a

energia térmica (em refrigeração o caso é inverso). Este trocador também é chamado regenerador.

3.4. Trocadores de calor de contato direto

Neste trocador, os dois fluidos se misturam. Aplicações comuns de um trocador de contato direto envolvem transferência de massa além de transferência de calor; aplicações que envolvem só transferência de calor são raras. Comparado os recuperadores de contato indireto e regeneradores, são alcançadas taxas de transferência de calor muito altas. Sua construção é relativamente barata. As aplicações são limitadas aos casos onde um contato direto de dois fluxos fluidos é permissível.

3.5. Trocadores tubulares

São geralmente construídos com tubos circulares, existindo uma variação de acordo com o fabricante. São usados para aplicações de transferência de calor líquido/líquido (uma ou duas fases). Eles trabalham de maneira ótima em aplicações de transferência de calor gás/gás, principalmente quando pressões e/ou temperaturas operacionais são muito altas onde nenhum outro tipo de trocador pode operar. Estes trocadores podem ser classificados como carcaça e tubo, tubo duplo e de espiral.

3.6. Trocadores de carcaça e tubo

Este trocador é construído com tubos e uma carcaça. Um dos fluidos passa por dentro dos tubos, e o outro pelo espaço entre a carcaça e os tubos.Existe uma variedade de construções diferentes destes trocadores dependendo da transferência de calor desejada, do desempenho, da queda de pressão e dos métodos usados para reduzir tensões térmicas, prevenir vazamentos, facilidade de limpeza, para conter pressões operacionais e temperaturas altas, controlar corrosão, etc. Trocadores de carcaça e tubo são os mais usados para quaisquer capacidades e condições operacionais, tais como pressões e temperaturas altas, atmosferas altamente corrosivas, fluidos muito viscosos, misturas de

multicomponentes, etc. Estes são trocadores muito versáteis, feitos de uma variedade de materiais e tamanhos e são extensivamente usados em processos industriais.

3.7. Trocador tubo duplo

O trocador de tubo duplo consiste de dois tubos concêntricos. Um dos fluidos escoa pelo tubo interno e o outro pela parte anular entre tubos, em uma direção de contrafluxo. Este é talvez o mais simples de todos os tipos de trocador de calor pela fácil manutenção envolvida. É geralmente usado em aplicações de pequenas capacidades.

3.8. Trocador de calor em serpentina

Este tipo de trocador consiste em uma ou mais serpentinas (de tubos circulares) ordenadas em uma carcaça. A transferência de calor associada a um tubo espiral é mais alta que para um tubo duplo. Além disto, uma grande superfície pode ser acomodada em um determinado espaço utilizando as serpentinas. As expansões térmicas não são nenhum problema, mas a limpeza é muito problemática.

3.9. Trocadores de calor tipo placa

Este tipo de trocador normalmente é construído com placas planas lisas ou com

alguma forma de ondulações. Geralmente, este trocador não pode suportar pressões muito altas, comparado ao trocador tubular equivalente.

3.10. Coeficiente global de troca de calor

Coeficiente Global de Troca de Calor, U, é uma maneira de sistematizar as diferentes resistências térmicas equivalentes existentes num processo de troca de calor entre duas correntes de fluido, por exemplo. A partir da lei do resfriamento de Newton:

q h As Ts T

que envolve a temperatura da superfície exposta a uma das correntes de fluido,

Dando origem ao circuito térmico equivalente:

Ou seja, nestas condições, o calor trocado foi escrito como:

q U A (Tb1Tb2)

onde Tb indica a temperatura média de mistura de cada um dos fluidos. Neste ponto,

consideramos que Tb de cada fluido permanecia constante, o que é equivalente a

considerarmos fluidos com capacidade térmica (o produto da massa ou do fluxo de massa pelo calor específico) infinita. Na realidade, esta é uma aproximação muito forte.

Consideramos duas situações para a condição térmica: fluxo de calor constante ou temperatura superficial constante. Após a devida análise, determinamos como a temperatura média de mistura do fluido varia ao longo do comprimento da superfície:

  • Fluxo constante de calor na parede:

  • Temperatura superficial constante:

4.0 Materiais e métodos

4.1. Materiais

Equipamento de trocador de calor contendo:

Aquecedor elétrico modelo ‘Aquecedor Atual’ resistência de 2500 Wats e 20Volts

Válvula gaveta para ajuste do sistema

2 - Rotâmetros

4 - Termopares

Água comum

Painel de controle de temperatura digital

4.2. Procedimento experimental

Primeiramente o sistema foi alinhado para fazer o ensaio no sistema contracorrente.

Foi aberta a válvula V1 de água fria e a válvula V4, e ajustada para a vazão desejada. Para o escoamento em contracorrente, as válvulas V2 e V6 (ralo) foram fechadas.

A vazão de água fria foi mantida constante em 60 ml/s, 100 ml/s e 140 ml/s. A leitura da vazão foi feita empregando um rotâmetro. As vazões de água quente, foram ajustadas através da válvula V3 e foram feitos três ajustes de vazão para a água quente respectivamente, para cada vazão de água fria constante (fig 2).

Num segundo momento o sistema foi alinhado para realizar o ensaio em paralelo usando os mesmos critérios da primeira amostragem, sendo abertas as válvulas V2 e V6 e fechadas às válvulas V1 e V4 (fig.1).

Para cada ajuste de vazão foi registrada a temperatura no painel do equipamento, temperatura esta adquirida pelos termopares instalados nas entradas e saídas do trocador, dois no sistema quente e dois no sistema frio.

5. Resultados e discussões

5.1. Resultados experimentais

 

Fluxo em corrente paralela

 

 

Temp.ºC H2O fria

Temp. ºC H2O Quente

T1 ºC

T2 ºC

T3 ºC

T4 ºC

60

60

44,5

59

39,5

23,3

60

100

47,3

57,7

42,2

23,1

60

140

48,5

56,9

43,9

23,2

100

60

38,9

55,3

34,5

23,2

100

100

41,3

52,8

36

23,8

100

140

40,1

48,4

36,1

23,8

140

60

36,4

53,9

32,3

23,8

140

100

38,4

51,4

33,9

23,8

140

140

39,5

49,9

34,9

23,8

Figura-1 Fluxo em corrente paralela

 

Fluxo em contra corrente

 

 

Temp.ºC H2O fria

Tem.ºC H2O Quente

T1 ºC

T2 ºC

T3 ºC

T4 ºC

60

60

34,1

48,4

23,8

37,7

60

100

38,1

48,6

23,8

40,5

60

140

40,6

48,6

23,8

42,1

100

60

30,9

48,4

23,7

34,1

100

100

34,9

48,2

23,8

36,6

100

140

37,2

47,7

23,8

38,2

140

60

28,9

47,6

23,8

31,2

140

100

32,4

47,4

23,7

33,1

140

140

34,7

47,1

23,8

34,2

Figura-2 Fluxo em contra corrente.

Vazão quente ml/s

Vazão frio ml/s

Temperatura saída quente oC

Temperatura entrada quente oC

Temperatura saída frio oC

Temperatura entrada frio oC

ΔT1

ΔT2

ΔTml

60

60

44,5

59

39,5

23,3

35,70

5,00

15,62

100

60

47,3

57,7

42,2

23,1

34,60

5,10

15,41

140

60

48,5

56,9

43,9

23,2

33,70

4,60

14,61

60

100

38,9

55,3

34,5

23,2

32,10

4,40

13,94

60

140

36,4

53,9

32,3

23,8

30,10

4,10

13,04

100

100

41,3

52,8

36,6

23,8

29,00

4,70

13,35

100

140

38,4

51,4

33,9

23,8

27,60

4,50

12,74

140

140

39,5

49,9

34,9

23,8

26,10

4,60

12,39

140

100

40,1

48,4

36,1

23,8

24,60

4,00

11,37

Figura 3. – Valores calculados de ∆T1, ∆T2 e ∆Tlmtd

Calor específico cal/goC

Capacidade calorífica quente(Cq) cal/soC

Capacidade calorífica frio(Cf) cal/soC

Taxa transferência calor quente q máx. cal/s

Taxa transferência calor real quente q cal/s

Taxa transferência calor real frio q cal/s

Efetividade quente ε %

Efetividade frio ε %

Área A m2

Coeficiente global U cal/m2soC

1

60

60

1686

960

990

57%

59%

690

0,12

1

100

60

2810

2090

690

74%

25%

690

0,18

1

140

60

3878

3318

528

86%

14%

690

0,29

1

60

100

1638

606

2060

37%

126%

690

0,17

1

100

100

2720

1490

1570

55%

58%

690

0,19

1

140

100

3724

2450

1230

66%

33%

690

0,23

1

60

140

1578

450

2884

29%

183%

690

0,22

1

100

140

2630

1100

2282

42%

87%

690

0,2

1

140

140

3570

1862

1918

52%

54%

690

0,23

Figura 4. – Valores calculados para qmáx,qreal, Efetividade ε e Coeficiente Global U

6. Conclusões e sugestões

Com o experimento conclui-se que o sistema operando em contracorrente e utilizando-se o mesmo líquido apresenta uma maior efetividade se comparado com o sistema em paralelo.

7. Referências bibliográficas

Manual de Trocadores de Calor - Ghizze, Antonio -Editora: Ibrasa - Edição: 1

Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa - DAVID P.DEWITT   FRANK P. INCROPERA   - Editora LTC

FIALHO, A. B. AUTOMAÇÃO HIDRÁULICA PROJETOS .

www.fem.unicamp.br. (s.d.). Acesso em 19 de Setembro de 2008

www.poli.usp.br/d/pme2237/PME2237_-_Experiencia2.pdf . (s.d.). Acesso em 20 de stembro de 2008

www.teses.usp.br

http://www.ucs.br/ccet/demc/craltafi/TrocadoresdeCalor.pdf

8. Memorial de cálculo

8.1 Equações matemáticas utilizadas

Para encontrar ∆T, foram utilizadas as seguintes equações:

∆T1= Tq,i – Tf,i ∆T2= Tq,0 – Tf,0 Fluxo em paralelo

∆T1= Tq,i – Tf,0 ∆T2= Tq,0 – Tf,i Fluxo em contracorrente

Sendo Tq,i = Temperatura de entrada quente;

Tf,i = Temperatura de entrada fria;

Tq,0= Temperatura de saída quente;

Tf,0= Temperatura de saída frio.

Temperatura média logarítmica:

∆Tlmtd = 

Cálculo de q:

q = mq x Cpq x (Tq,i - Tq,0) q= mf x Cpf x (Tf,0 – Tf,i)

sendo Cp = 1Cal/gºC

Como mq é a vazão mássica, temos:

m = Q x 

Cf = Cp x mf Cq = Cp x mq

qmáx = Cmin x (Tq,i - Tf,i)

Onde,

Cmin = capacidade calorífica mínima entre líquido quente e frio

qreal = C (Tq,i - Tq,0)

q = taxa máxima

C = capacidade calorífica quente

Para o cálculo de U, foi usada a seguinte equação:

q = U x A x ∆Tlmtd

Cálculo da área:

A = b x a

A = 100 x 230

A = 23000mm2 ou 23 m²

A = 23 x 30 (placas)

A = 690m²

U = 

Efetividade do trocador:

E = 

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