Trocador.calor - Cópia

5/7/2018 Trocador.calor - Cópia - slidepdf.com

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Professora: Daniela Oliveira dos Santos

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA - UEFSDEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA - DTEC

CURSO: ENGENHARIA DE ALIMENTOS

TROCADORES DE CALOR



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INTRODUINTRODUÇÇÃOÃO

O que são Trocadores de Calor?

Equipamentos que efetuam a transmissão de calor de um fluido para

outro.

Universidade estadual de Feira de

Santana - UEFS



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Transmissão de calor?


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T1 > T2

Princípios que regem a transmissão de calor

1º Lei da termodinâmica

2º Lei da termodinâmica



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Mecanismos de transmissão de calor

•Calor por condução.•Transferência de energia cinética entre as moléculas adjacentes.



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Santana - UEFS

Mecanismos de transmissão de calor

•Calor por convecção.

•Fluido em escoamento.

•Princípio de transferência - difusão e mistura.

Lei de Fourier x Lei de Resfriamento de Newton

T hAdt dq

dxdT KA

dt dq



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CLASSIFICACLASSIFICAÇÇÃO DE TROCADORES DE CALORÃO DE TROCADORES DE CALOR

Classificação

Arranjo do escoamento:

• Correntes paralelas,

• Contracorrente,

• Correntes cruzadas.

Tipo de construção:

• Tubos concêntricos,

• Carcaça e tubos,

• Compactos.

Processo de transferência:

• Direto,

•Indireto.



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Processo de transferência

Tq,e Tq,s

Tf,e Tf,e

Trocador de calor de contato indireto

Trocador de calor de contato direto



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• Escoamento paralelo

• Escoamento contracorrente

• Escoamento de fluxo cruzado

Arranjo do escoamento



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Tubos concêntricos

Mais simples

Funcionamento

Menores vazões

Tipo de construção



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Carcaça e tubos

Mais importantes

Maiores vazões

Funcionamento

Velocidade e turbulência

Chicanas


Trocador de calor 1-1 contra-corrente



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Carcaça e tubos

Para melhorar ainda mais a transferência de calor, podem ser utilizados

trocadores de calor multipasses.

• 1 passe na carcaça e 2 tubos

• 2 passes na carcaça e 4 nos tubos

• Trocadores mais complexos;

• Geram um aumento na perda de carga do fluido: ↑ velocidade e ↑

comprimento da tubulação que o fluido percorre.




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Carcaça e tubos


Trocador de calor multipasses. 1-2 paralelo-contra-corrente



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Trocador de calor de placas

Trocadores de calor de placas

Indústria de alimentos;

Construção (placas, gaxetas, corrugações);

Seções: Aquecimento, resfriamento

e regeneração;



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Trocadores de calor de placas

Alta turbulência: alto coeficiente Transferência de calor.

Alta perda de carga;

Operação: pressões moderadas e temperaturas < 150ºC;

Flexibilidade na área de troca térmica

Limpeza e manutenção




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ANAN ÁÁLISE TLISE TÉÉRMICA DE TROCADORES DE CALORRMICA DE TROCADORES DE CALOR

• Tipos de transmissão de calor que estarão envolvidos;

• Faixas de temperatura e vazão de escoamento dos fluidos;

• Tipo de fluido;

• Material de construção do trocador;

• Facilidade para manutenção;

• Tamanho físico;

PROJETO DE TROCADORES DE CALOR



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Qual a área de transferência de calor do equipamento?

É necessário:

Coeficiente global de transferência de calor (U);

Diferença de temperatura média logarítmica (DTML);




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Coeficiente Global de Transferência de Calor

Os diversos modos de transferência de calor existentes em um

processo podem ser agrupados em um único termo,

denominado coeficiente global de transferência de calor ou U.

Para sistemas em que a transferência de calor ocorre em série

entre as várias seções, o valor de U é igual a:

n R R R AU 21

1

(4)

onde cada resistência é a recíproca da soma da condutância para a seção;U coeficiente global de transferência de calor (W.m-2.K-1);A área superficial (m2)




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Taxa global de transferência de calor utilizando diferença detemperatura

mT UAq




20Universidade estadual de Feira de

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Temperatura média logarítmica: Trocador de calor com escoamentoem paralelo





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Temperatura média logarítmica

Considerações

1- Trocador isolado das vizinhanças – troca somente entre ofluido quente e o frio.

2- Mudanças de energia cinética e potencial são desprezíveis

3- Os calores específicos dos fluidos são constantes

4- O coeficiente global de transferência de calor é constante





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f f f f p f dT C dT cmdq ,

qqqq p dT C dT cmdq , (1)

(2)

Transferência de calor através de dA

TdAU dq (3)

C = taxa de capacidade calorífica






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f q T T T

Diferença local de temperatura

(4)

Diferenciando a equação (4)

f q dT dT T d )(


f q C C dqT d

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Substituindo as Equações (1) e (2) temos:





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Substituindo a Eq. (3) na Eq. anterior e integrando:

2

1

2

1

11)(

dAC C U T

T d

f q

f q C C UA

T

T 11ln

1

2 (5)


Sabendo que Cq e Cf é:

sqeqq pq T T cmq ,,, )( ,,, e f s f f p f T T cmq





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s f sqe f eq

e f s f sqeq

T T T T qUA

q

T T

q

T T UA

T

T

,,,,

,,,,

1

2ln

Como: )( e )( ,,2,,1 s f sqe f eq T T T T T T

Obtemos: 12

12

ln T T

T T UAq






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Comparando com a equação →

mlT UAq

21

21

12

12

lnln T T

T T

T T

T T T ml

(8)

(9)

mT UAq





27Universidade estadual de Feira deSantana - UEFS

2 -Trocador de calor com escoamento em contracorrente

e f sq f q

s f eq f q

T T T T T

T T T T T

,,2,2,2

,,1,1,1





Temperatura média logarítmica corrigida


).( mlT F UAq

O fator de correção F é determinado a partir de gráficos paradiversas configurações. Nestes gráficos, F depende de duas razõesadimensionais (R e P) entre as temperaturas no trocador:

),( P RF F

es

Se

t t

T T

R

ee

eS

t T

t t

P

t = temperatura do fluido frio

T = temperatura do fluido quente





F a t o

r d e

c o r r e ç ã o ,

F

R

P

Fator de correção para um trocador de calor carcaça etubo com um passe na carcaça e qualquer múltiplo de

dois passes nos tubos.Te = 100 ºCTs = 80,27 ºCte = 20 ºCts = 72 ºC

R = 0,38P = 0,65

F = 0,88




F a t o r d e

c o r r e ç ã o ,

F

R

P

Fator de correção para um trocador de calor carcaça etubo com dois passes na carcaça e qualquer múltiplo de

quatro passes nos tubos.

R = 0,38P = 0,65

F = 0,98




).( mlT F UAq




Efetividade do trocador de calor



• Análise térmica: DTML

• Desempenho do trocador de calor é conhecido ou estimado.

• Nem sempre as temperaturas de saída dos fluídos são conhecidas

Efetividade do trocador de calor (Ԑ): métodoque não envolve as temperaturas de saídados fluídos.






A efetividade do trocador de calor édefinida como a razão entre a taxa

de transferência de calor em um trocador e a máxima taxa possível seuma área de transferência de calor infinita fosse possível para o mesmoequipamento.



Efetividade do trocador de calor:contra-corrente.



Desenvolvendo um balanço de energia entre os fluídos quente e frio,temos que:

e f s f frio psqeqquente p T T cmT T cmq

Capacidade térmica do fluído:

pcmC

onde: C capacidade térmica (J / K)






A determinação da C dos dois fluidos leva a duas situações:

1. C frio for a menor, a trataremos como C min e aC quente como C max ..

Se no trocador a área de transferência de calor tender ao infinito: T fs irátender ao valor deT qe , ou sejaT fs = T qe , e a efetividade serádada por:

feqe

qsqe

feqe frio

qsqequente

T T C

T T C

T T C

T T C

min

max






2. Cquente for a menor, trataremos seu valor como Cmin e o Cfrio como

Cmax.Se a área de transferência de calor do trocador tender ao infinito: T qs

irátender áT fe (T qs = T fe ) e a efetividade serádada por:

feqe

fe fs

feqequente

fe fs frio

T T C

T T C

T T C

T T C

min

max






Combinando as equações anteriores:

Tem - se:

feqe T T C q min

Não depende das temperaturas de saída dos fluídos.






Efetividade sem os termos referentes às temperaturas de entrada.

Fazendo uma série de combinações matemáticas paraC frio < C quente.

max

min

minmax

min

max

min

min

1exp1

1exp1

C

C

C

AU

C

C

C

C

C

AU



Efetividade do trocador de calor:co-corrente.



Efetividade sem os termos referentes às temperaturas de entrada.

max

min

max

min

min

1

1exp1

C

C

C

C

C

AU

É interessante observar que o mesmo resultado seria obtido se C frio >C quente , com C frio = C max e C quente = C min.






Número de unidades de transferência de calor ou NUT

O N U T é uma medida do tamanho da transmissão de calor notrocador. Quanto maior o valor do N U T , mais próximo do limitetermodinâmico estaráo trocador.

minC AU NUT






Efetividade em função de N U T e C min

/ C max

para um trocador contra-corrente.





Aquecimento de suco de tomate.

Suco de tomate entra em um trocador de calor tubular do tipo casca-e-tubo a uma vazão de 10239 kg/ h e uma temperatura de 20 ºC (293,15

K). Água a uma vazão de 25000 kg/ h e uma temperatura de 100 ºC(373,15 K). Determinar qual seráa temperatura final do suco para umtrocador de calor com a configuração 1-1 com escoamento contra-corrente com área de troca térmica de 18,16 m2.Dado: U= 750 W/ m2 . K; cp suco = 3,98 kJ/ kg.K

cp água = 4,185 kJ/kg.K



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Geankoplis, C., Transport Phenomena and Unit Operations, McGraw-

Hill, 1993.

McCabe, W., Smith, J.C., Harriot, P., "Unit Operations of Chemical

Engineering", 5th Edition, McGraw Hill International Editions, 1993.

Foust, A. S. et al., "Princípios das Operações Unitárias", Ed.

Guanabara Dois, 1982.

Incropera, F.P.; DE Witt, D.P. Fundamentos de transferência de calor e

de massa. 5ª Ed., Editora LTC, 2002. 698p.

Universidade estadual de Feira deSantana - UEFS

Referências

TROCADORES DE CALORTROCADORES DE CALOR

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