02 Trocadores de Calor e Caldeiras
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(2) Conceitos Importantes • Calor – Da termodinâmica: calor é a forma de transferência de energia através da fronteira de um sistema, numa dada temperatura, para outro sistema (ou vizinhança) numa temperatura inferior.. 2. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(3) Conceitos Importantes • Transmissão de Calor O calor pode ser transferido de três formas: – Condução • É a troca de calor realizada pelas colisões das moléculas vizinhas. Necessariamente precisa-se de contato mecânico entre as partes. dT Q = −kA dx .. Q: Taxa de transferência de calor por condução k: Condutividade térmica do material A: Área total de troca dT: Gradiente de temperatura dx. 3. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(4) Conceitos Importantes • Condutividade térmica de alguns materiais. 4. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(5) Conceitos Importantes • Convecção A transferência de calor por condução é dominada pela maneira como o movimento global promove o contato entre a superfície e o meio vizinho de escoamento. .. Q = Ah∆T. Q: Taxa de transferência de calor por convecção A: Área total de troca ∆T: Diferença de temperaturas h: coeficiente de transferência de calor. 5. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(6) Conceitos Importantes • Coeficientes de transferência de calor mais comuns Coeficiente de Transferência de Calor h (W/m²K). Gás. Líquido. Convecção natural. 5-25. 50-1000. Convecção forçada. 25-250. 50-20000. 6. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(7) Conceitos Importantes • Radiação – A energia sob forma de calor é transferida através da emissão de ondas eletromagnéticas no espaço. Não depende de meio físico para se propagar.. .. Q = εσATs4. Q: A: T: ε: σ:. Taxa de transferência de calor por radiação Área da superfície de troca Temperatura da superfície Emissividade do corpo Constante de Stefan Boltzmann (5,67e-8 W/m²K). 7. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(8) Trocadores de Calor • Para que servem? Tem como objetivo a troca de calor entre dois fluidos, promovendo o aquecimento de um e resfriamento de outro. Algumas aplicações: – Vaporização de um fluido – Torres de destilaria – Termoelétricas – Geladeiras – Ar condicionados 8. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(9) Tipos de Trocadores de Calor • Corrente Paralela – Neste tipo de trocador, os fluidos entram na mesma extremidade e fluem na mesma direção e sentido.. Ent. Fluido 2. Ent. Fluido 1 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com. 9.
(10) Tipos de Trocadores de Calor • Corrente Paralela TQent. TQsaida TFent. TFsaida. ∆t médio. (TQent − TFent ) − (TQsaida − TFsaida ) ) = TQent − TFent ln( ) TQsaída − TFsaida. – A temperatura de saída do fluido “frio” nunca excede a temperatura de saída do fluido “quente” 10 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(11) Tipos de Trocadores de Calor • Contracorrente – Neste tipo de trocador, os fluidos entram e saem por extremidades opostas e fluem na mesma direção, porém sentido contrários. Ent. Fluido 2. Ent. Fluido 1 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com. 11.
(12) Tipos de Trocadores de Calor • Contracorrente TQent TFsaida TQsaida. TFent. ∆t médio. (TQsaida − TFent ) − (TQent − TFsaida ) ) = TQsaida − TFent ln( ) TQent − TFsaida. – A temperatura de saída do fluido “frio” pode exceder a temperatura de saída do fluido “quente”, já que existe um gradiente de temperatura favorável ao 12 longo de todo trocador de calor. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(13) Comparação •. Exemplo: Um fluido quente entra em um recuperador a 500ºC e sai a 310ºC e fluido frio entra a 30ºC e deverá sair a 250ºC. Determinar a variação média da temperatura, considerando um recuperador de corrente paralela e contracorrente.. •. Corrente Paralela. ∆t médio. ∆t médio. (TQent − TFent ) − (TQsaida − TFsaida ) ) = TQent − TFent ln( ) TQsaída − TFsaida. (500 − 30) − (310 − 250) = = 200º C 500 − 30 ln( ) 310 − 250 13. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(14) Comparação •. Exemplo: Um fluido quente entra em um recuperador a 500ºC e sai a 310ºC e fluido frio entra a 30ºC e deverá sair a 250ºC. Determinar a variação média da temperatura, considerando um recuperador de corrente paralela e contracorrente.. •. Contracorrente. ∆t médio. (TQsaida − TFent ) − (TQent − TFsaida ) ) = TQ − TFent ln( saida ) TQent − TFsaida. ∆t médio =. (310 − 30) − (500 − 250) = 265º C 310 − 30 ln( ) 500 − 250 14. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(15) Tipos de Trocadores de Calor • Corrente Cruzada – Neste tipo de trocador os fluidos fluem em direções perpendiculares ou ortogonais.. 15. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(16) Tipos de Trocadores de Calor • Casco e Tubos – As direções de fluência dos fluidos é ortogonal sendo alternada pelas chicanas da carcaça.. 16. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(17) Tipos de Trocadores de Calor. 17. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(18) Principais Problemas • Incrustação – Aderência de material nas paredes dos tubos e regiões de troca térmica, diminuindo a eficiência da troca térmica. 18. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(19) Principais Problemas • Incrustação. 19. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(20) Principais Problemas • Trincas Térmicas – Provocadas pela dilatação e contração da estrutura metálica, principalmente nas junções.. 20. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(21) Principais Problemas • Corrosão – Pode ser provocada por diversos fatores, entre eles fluidos não compatíveis com os materiais utilizados no trocador de calor, refluxo do fluido, corrosão galvânica, etc.. 21. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(22) Instalações de Trocadores de Calor. 22. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(23) Instalações de Trocadores de Calor. 23. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(24) Resumão Energia Térmica. Energia Térmica. Transferência Inputs Vazão desejada Temperatura dos fluidos na saída Temperatura dos fluidos na entrada Características dos fluidos. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com. Outputs Fluidos nas temperaturas desejadas.
(25) Caldeiras • Para que servem? – As caldeiras são utilizadas quando se necessita gerar vapor. Este vapor pode ser utilizado de diversas maneiras: • • • •. Aquecer fluidos Acionamento de máquinas motrizes Esterilização de ambientes ou equipamentos Inertização de ambientes. 25. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(26) Caldeiras • Objetivo – Gerar vapor através do aquecimento de água ou outro fluido, devido a queima de algum combustível. Os combustiveis mais utilizados são: • • • • •. Óleo combustível Lenha ou bagaço de cana Carvão Eletricidade (eletrodo submerso) Gás (GLP e gás natural) 26. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(27) Tipo de Caldeiras • Caldeiras Flamotubular ou Fogotubular – Constituídas por um feixe tubular imerso dentro de um grande balão. Dentro deste feixe os gases de combustão aquecidos fluem aquecendo a água que se encontra fora do tubo. – A transferência de calor se dá principalmente pelo mecanismo de condução e convecção.. 27. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(28) Princípio de Funcionamento • Caldeiras Flamotubulares. 28. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(29) Princípio de Funcionamento • Caldeiras Flamotubulares. 29. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(30) Caldeiras Flamotubulares. 30. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(31) Caldeiras Flamotubulares • Características das Flamotubulares – – – – –. Construção simples Flexibilidade de produção Fácil substituição dos tubos Menor rigor no tratamento de água de alimentação Demora em atingir o regime de produção plena de vapor – Destina-se a pressões menores, limitada pelo vaso de pressão que contém a água. – Necessidade de controle na bomba de alimentação 31. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(32) Caldeira Flamotubular. 32. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(33) Tipos de Calderias • Caldeiras Aquatubulares – Neste tipo de caldeiras a água se encontra dentro dos tubos enquanto os gases da combustão estão pelo lado de fora. – A transferência de calor acontece através da condução, convecção e radiação.. 33. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(34) Princípio de Funcionamento • Caldeiras Aquatubulares. 34. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(35) Princípio de Funcionamento. 35. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(36) Caldeiras Aquatubulares. 36. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(37) Caldeiras Aquatubulares • Características das Aquatubulares – Necessidade de maior controle da qualidade da água – Maior segurança de operação – Maiores quantidades de vapor geradas (>50 toneladas / hora) – Instalações demandam maior área. 37. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
(38) Caldeiras Aquatubulares. 38. PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com.
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