CAPÍTULO 4 PROJETO TÉRMICO T TROCADORES DE CALOR TIPO DUPLO TUBO

(1)

CAPÍTULO 4

PROJETO T

É

RMICO DE

TROCADORES DE CALOR TIPO

DUPLO TUBO

(2)

• Metodologia de projeto

(3)

Tabela 4.1- Conexões de um trocador de calor duplo tubo

(em polegadas)

Tubo externo, IPS

Tubo interno, IPS

2 1 ¼

2 ½

1 ¼

3

2

4

3

(4)

COEFICIENTES DE PEL

Í

_Í

CULA

_CULA

PARA FLUIDOS EM TUBOS

( )( )

14 , 0 3 1

86 ,

1 _





































=

p

L

D

r

P

e

R

Nu

µ

14 , 0 3 1 86 , 1 _                               = p p i L D k C VD k D h

µ

ρ

10 > L D r P e R _d

Escoamento laminar

14 , 0 3 1 8 , 0

027 ,

0 _













=

p

r

P

e

R

Nu

µ

Escoamento turbulento

(5)

(6)

COEFICIENTES DE PEL

Í

CULA PARA

FLUIDOS QUE ESCOAM EM AN

É

IS

P

A

D

_H

=

4 Transferência de calor

(

)

1 2 1 2 2 1 2 1 2 2

4

4 D

D

molhado

perímetro

escoamento

de

área

P

A

D

_H

=

×

=

−

=

−

π

Perda de carga

(

)

(

)

2 1 1 2 2 1 2 2 '

4

4 D

D

atrito

de

molhado

perímetro

escoamento

de

área

P

A

D

_H

=

−

+

−

=

×

=

π

(7)

QUEDA DE PRESS

Ã

_Ã

O EM TUBOS

_{O EM TUBOS}

E SE

ÇÕ

_ÇÕ

ES ANULARES

_{ES ANULARES}

8 , 0

V

h

_i

α

2

V

p

α

∆

ρ

2

4

2

V

D

L

f

p

=

∆

(8)

para escoamento laminar

e

R

f

=

16 para escoamento turbulento em tubos lisos:

32 , 0

125 ,

0 0014

,

0 e

R

f

=

+

para escoamento turbulento em tubos rugosos:

42 , 0

264 ,

0 0035

,

0 e

R

f

=

+

(9)

(10)

Perda de carga localizada

ρ

2

V

p

=

∆

(11)

EXEMPLO: PROJETO TÉRMICO DE UM TROCADOR DE CALOR DUPLO TUBO

Desejamos aquecer 4 454 kg/h de benzeno frio de 27 °C a 49 °C, usando-se tolueno quente que é resfriado de 71 °C a 38 °C. As densidades relativas a 20 °C são 0,88 e 0,87, respectivamente. As outras propriedades dos fluidos podem ser encontradas na bibliografia especializada ou determinadas experimentalmente. Um fator de

incrustação de 0,0002 pode ser admitido para cada corrente, e a queda de pressão permitida para cada corrente é de 0,7 bar. Projetar um trocador de calo duplo tubo para esta operação.

o 27 C o 49 C 71 Co o 38 C

(12)

1) Condições do processo necessárias:

Fluido quente: Tolueno

=

q

m&

?.

∆p = 0,7 bar. Rd = W C m2o 0002 , 0 T₁ = 71 °C. T₂ = 38 °C.

Fluido frio: Benzeno

∆p = 0,7 bar. Rd = W C m2o 0002 , 0 4 454

kg

_h

=

f

m&

t₁ = 27 °C. t₂ = 49 °C.

2) Temperaturas médias:

C

T

1 2

₅₄

_,

₅

0

2

38

71

2 =

+

=

+

=

C

t

38

o

2

49

27

2

2 1

+

=

+

=

(13)

3) Propriedades físicas:

C kg kJ o . kJkg_.oC s m kg . kgm.s C m W o . W_m_.o_C Tolueno Benzeno C_p= 1,842 C_p= 1,779 s = 0,87 s = 0,88 µ = 4,1 x 10-4 _µ _{= = 5 x 10}-4 k = 0,147 k =0,157

4) Seleção dos tubos:

(14)

5) Balanço de calor:

(

)

(

)

C

kW

C

kg

kJ

h

kg

t

C

m

o o pf f 2

−

1

=

4

454 .

1 ,

779 _.

49 −

27 =

48 ,

42 = &

benzeno

Q

tolueno

(

)

₍

₎

_C kg s kg h C kg kJ kW T T C Q m o o pq q 0,797 2868 38 71 . 842 , 1 42 , 48 1 2 = = − = − = &

6) MLDT:

(

) (

)

_C

t

T

t

T

t

T

t

T

MLDT

15 ,

87

o

27

38

49

71 ln

27

38

49

71 ln

1 2 2 1 1 2 2 1

=













−

=













−

=

(15)

Para o tubo interno:

Benzeno

7) Área de escoamento:

2 2

00096

,

0

4

035 ,

0 m

a

_t

=

π

=

mm

D

_i

=

1 ,

38 "

=

35 8) Velocidade do escoamento:

s

m

a

m

V

t t

1 ,

46 00096

,

0 .

1000

.

88 ,

0 3600

/

4454

.

=

ρ

&

936

89

10

5

035 ,

0 .

46 ,

1 .

1000

.

88 ,

0

4

=

×

=

₋

µ

ρ

V

D

e

R

t

9) Reynolds:

10) Prandtl:

67 ,

5

157 ,

0 1779

.

10

5 ×

4

₌

=

−

k

C

r

P

µ

p

(16)

11) Nusselt:

Escolher a equação adequada de acordo com o tipo de escoamento. Na primeira iteração considerar ,

C

t

T

_p

46 ,

25

o

2

38

5 ,

54

2 =

+

=

+

=

correspondendo a µ_p = 1,8

kg

_m

_.

_s

3 , 442 8 , 1 779 , 1 . 67 , 5 . 89936 . 027 , 0 027 , 0 14 , 0 3 1 8 , 0 14 , 0 3 1 8 , 0 _ ₌      =         = p r P e R Nu µ µ

12) Coeficiente de transferência de calor por convecção:

C

m

W

D

k

Nu

h

_i _o

.

1984

035 ,

0

157 ,

0

3 ,

442 =

₂

=

(17)

Para o anel:

Tolueno

13) Área de escoamento:

_D

₁

_,

₆₆

_"

₄₂

_,

₁₆

_mm

₀

_,

₀₄₂₁₆

_m

1

=

m

mm

D

₂

=

2 ,

067 "

=

52 ,

5 =

0 ,

0525

(

) (

)

2 2 2 2 1 2 2

₀

_,

₀₀₀₇₆₉

4 04216

,

0 0525

,

0

4 m

D

a

_a

=

π

−

=

π

−

=

14) Diâmetro equivalente:

m D D D molhado perímetro escoamento de área D_H 0,0232 04216 , 0 04216 , 0 0525 , 0 4 2 2 1 2 1 2 2 − = − = = × = s m a m a a 1,191 000769 , 0 . 1000 . 87 , 0 797 , 0 . = = =

ρ

&

15) Velocidade do escoamento:

_V

16) Reynolds:

58632

10

1 ,

4 0232

,

0 .

191 ,

1 .

1000

.

87 ,

0

4

=

×

=

₋

µ

ρ

V

_a

D

_H

e

R

(18)

17) Prandtl:

14 ,

5

147 ,

0 1842

.

10

1 ,

4 ×

4

₌

=

−

k

C

r

P

µ

p

18) Nusselt:

Escolher a equação adequada de acordo com o tipo de escoamento. Na primeira iteração considerar ,

C t T T o p 46,25 2 38 5 , 54 2 = + = + = correspondendo a µ_p = 1,8 kg _m_._s

304

8 ,

1

842 ,

1 .

14 ,

5 .

58632

.

027 ,

0

027 ,

0

14 , 0 3 1 8 , 0 14 , 0 3 1 8 , 0

_

₌











=













=

p

r

P

e

R

Nu

µ

19) Coeficiente de transferência de calor por convecção:

C

m

W

D

k

Nu

h

_o H e

1926

,

2 _.

0232

,

0

147 ,

0

304 =

₂

=

(19)

20) Temperatura da parede:

(

T

t

)

(

)

(

)

C

h

t

o c c o io o c w

54 ,

5

38

46 ,

89

2 ,

1926

04216

,

0

035 ,

0 .

1984

2 ,

1926

38 −

=













₊

+

=

−

+

=

O valor arbitrado inicialmente 46,25°C não apresenta diferença significativa, portanto os coeficientes de transferência de calor por convecção calculados estão corretos

Cálculo da área:

21) Coeficiente global de troca térmica:

e e i e e i i e i i e e

h

Rd

k

r

d

Rd

d

h

d

U

1

2 )

ln(

1 +

+

=

C m W U U o e e . 3 , 609 2 , 1926 1 0002 , 0 53 . 2 ) 035 , 0 / 04216 , 0 ln( 04216 , 0 035 , 0 0002 , 0 . 04216 , 0 1984 . 035 , 0 04216 , 0 1 2 = + + + + =

(20)

2

5

87 ,

15 .

3 ,

609

420

48 m

MLDT

U

Q

=

⋅

=

22) Área total de troca térmica:

_A

23) Número de tubos:

3 , 6 6 . 04216 , 0 . 5 ₌ = ⋅ ⋅ =

π

D L A N e t

O número de tubos deve ser inteiro, usaremos 6 tubos

2 '

_.

_D

_.

_L

_.

_N

_.

₀

_,

₀₄₂₁₆

_.

₆

_.

₆

₄

_,

₇₆₈

_m

A

=

π

_e _t

=

π

=

O trocador é

satisfatório quanto à

transferência de calor

→ < − = × − = × − = 100 4,63% 5% 5 5 768 , 4 100 % ' A A A Erro

24) Número de grampos:

3

2

6

2 =

=

t g

N

(21)

Cálculo da perda de carga:

Para o tubo interno:

25) Fator de atrito

De acordo com o número de Reynolds, calculado em (9), determina-se o fator de atrito por:

0057

,

0 89936

264 ,

0 0035

,

0

264 ,

0 0035

,

0 +

₀_,₄₂

=

+

₀_,₄₂

=

e

R

f

26) Perda de carga no tubo

bar bar V D L f p_t 0,88.1000.10 0,22 0,7 2 46 , 1 035 , 0 36 0057 , 0 . 4 2 4 5 2 2 < = = = ∆

_ρ

−

(22)

Para o anel:

27) Diâmetro equivalente:

m D D atrito de molhado perímetro escoamento de área D_H' ₌ 4× ₌ ₂ ₋ ₁ ₌0,0525₋0,04216₌ 0,0103