Apresenta..1[1]

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Permutador de Calor

LI4A Módulo de Fenómenos de Transferência 12011/2012

1



RESUMO

• Neste trabalho estudamos um permutador de calor com feixetubular, funcionando em contracorrente e co-corrente, adiferentes caudais.

• Verificamos a influência da transferência de calor e eficiênciaentre os dois tipos de fluxo.

• Para o qual também se calculou:

o O balanço entálpico ao permutador;o A eficiência global para os diferentes caudais e fluxos;o O Coeficiente Global de Transferência de Calor utilizando a

Diferença de temperatura média logaritmica, para ambos os

fluxos;

2



INTRODUÇÃO• Um permutador de calor é um dispositivo para

transferência de calor.

• Tem como objectivo transferir calor de um fluidopara o outro, encontrando-se ambos atemperaturas diferentes.

3

http://pt.wikipedia.org/wiki/Transfer%C3%AAncia_de_calor

http://pt.wikipedia.org/wiki/Transfer%C3%AAncia_de_calor



• É normalmente inserido num processo com a

finalidade de arrefecer ou aquecer umdeterminado fluido.

• São muito utilizados nas indústrias: tratamento

de águas, refinaria de petróleo sistemas derefrigeração etc.

4



• A transferência de calor, pode ocorrer de trêsformas:

ConduçãoConvecçãoRadiação

5



• A eficiência do permutador térmico depende dediversos factores, tais como a superfíciedisponível para as trocas térmicas.

• A área disponível para as trocas térmicas é umfactor importante que afecta a eficiência da

transferência de calor.

6



• O permutador de calor utilizado no Laboratório

de Química do ISEL é um permutador de feixetubular, que consiste num número fixo de tubosem paralelo, montados no interior de um corpocilíndrico.

• O calor é transferido entre o fluido quente quecircula no interior dos tubos em paralelo e o

fluido frio no exterior desses tubos, atravessandoo corpo cilíndrico que suporta os tubos.

7



• No corpo cilíndrico existem chicanas, quepermitem um aumento da velocidade do fluido eo consequente aumento da taxa de transferênciade calor.

8

http://www.google.pt/imgres?q=permutadores+de+calor&hl=pt-PT&sa=X&biw=1280&bih=627&tbm=isch&prmd=imvns&tbnid=a6CxinGKllg8-M:&imgrefurl=http://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema074/trocador/cascotub.htm&docid=IXj_MQfQTZ2VBM&imgurl=http://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema074/trocador/fig296a.gif&w=640&h=284&ei=HIrjTrKjE4fv8QPnn7D1Aw&zoom=1



• O fluxo de co-corrente tem o fluido quente e frioa circularem no mesmo sentido (os dois fluidosentram na mesma extremidade do permutador).

• No fluxo de contra – corrente o fluido quente efrio circulam em sentidos opostos (os dois

fluidos entram nas extremidades opostas dopermutador).

9



• Teoricamente o calor fornecido pelo fluido

quente e o recebido pelo fluido frio deveria serigual.

• Tal não acontece devido a perdas ou ganhos decalor para o exterior.

10



• Se a temperatura média do fluido frio for mais

elevada que a temperatura ambiente, a eficiênciaglobal será

η<100%,

Pois haverá perda de calor para o meioambiente

• Se a temperatura média do fluido frio for

inferior á temperatura ambiente, haverá ganhode calor e a eficiência global seráη>100%.

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Parte experimental

Material e equipamento

• Permutador de calor e feixe tubular, Armfield HT33

• Unidade de serviço do permutador de calor, ArmfieldHT30X

• Unidade de Aquisição de Sinal, National Instruments• Banho Termoestático, Julabo ME e Julado NI c-DAQ-

9172

Procedimento experimental• Não se realizou nenhuma alteração ao protocolo.

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Resultados experimentais Fluxo Fcold (L/min) Fhot (L/min) TEQ (ºC) TSQ (ºC) TEF (ºC) TSF (ºC)

Co-corrente

1 1,00 2,05 26,94 25,66 15,19 17,97

2 2,03 2,05 26,91 25,30 15,14 16,85

3 0,50 2,04 26,89 25,96 15,14 19,29

4 0,50 1,01 26,89 25,33 15,13 18,51

5 0,49 0,50 26,73 24,30 15,11 17,83

6 1,01 0,50 26,75 23,68 15,05 16,67

7 2,02 0,49 26,74 23,38 15,15 16,05

8 1,03 1,01 26,90 24,86 15,12 17,17

Contra-

corrente

1 1,02 1,01 26,87 24,84 15,09 17,12

2 2,00 0,50 26,78 23,33 15,08 15,90

3 0,98 0,50 26,79 23,73 15,11 16,77 4 0,50 0,50 26,77 24,27 15,21 17,94

5 0,50 1,00 26,99 25,36 15,18 18,54

6 0,49 2,04 26,98 26,02 15,14 19,33

7 2,00 2,02 26,98 25,35 15,06 16,68

8 1,00 2,00 27,00 25,69 15,18 17,88

13



• Condições ambiente:

14

P atm (kPa) T ar (ºC) T água (ºC) H r (%)

101,50 14,70 14,94 62,1



TRATAMENTO DOS RESULTADOS

• A área de transmissão de calor é dada pela equação:

• Em que:

15

6



• Através dos dados do protocolo experimental,

temos:

16

l = 144 mm → 0,144 m

n = 7

de = 6,35 mm → 0,00635 m

e = 0,6 mm → 0,0006 m

di = 5,15 mm → 0,00515 m

dm = 5,75 mm → 0,00575 m

A = 18199,44 mm2 → 18,19944 m2



• Para obter a massa volúmica correspondente àTemperatura média de cada corrente e a

Capacidade Calorífica, usamos os valorestabelados na Sebenta de tecnologias Química:

17

8



• Capacidade calorífica

18

Capacidade calorífica

T (ºC) Cp (kJ/kg.ºC)

12 4,189

17 4,184

22 4,181

27 4,179

y = -0.0007x + 4.1961

4.176

4.178

4.18

4.182

4.184

4.186

4.188

4.19

0 5 10 15 20 25 30

C p ( k J / k g .

º C )

T (ºC)

Tabela 1- Capacidade Calorífica Gráfico 1- Temperatura VS Capacidade Calorífica

Utilizamos a recta de calibração obtida com os valores de Temperaturamédia para cada corrente, para obter os Valores de Capacidade calorífica.



• Massa Volúmica

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Massa volúmicaT (ºC) ρ (kg/m3)

15 999

16 998,8

17 998,7

18 998,5

19 998,420 998,2

21 997,9

22 997,71

23 997,51

24 997,21

25 997,0126 996,71

27 996,41

y = -0.2137x + 1002.3

996

996.5

997

997.5

998

998.5

999

999.5

0 5 10 15 20 25 30

ρ (

k g / m

3 )

T (ºC)

Tabela 2 – Massa Volúmica Gráfico 2- Temperatura VS Massa Volúmica

Efectuou-se de forma análoga à Capacidade Calorífica.



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Fluxo TQmedia

(ºC)

TFmedia

(ºC)

ρq

(kg/m3) ρf (kg/m3)

Cpq

(kJ/kg.ºC)

Cpf

(kJ/kg.ºC)

Co-corrente

1 26,300 16,580 996,680 998,757 4,178 4,1842 26,105 15,995 996,721 998,882 4,178 4,185

3 26,425 17,215 996,653 998,621 4,178 4,184

4 26,110 16,820 996,720 998,706 4,178 4,184

5 25,515 16,470 996,847 998,780 4,178 4,185

6 25,215 15,860 996,912 998,911 4,178 4,185

7 25,060 15,600 996,945 998,966 4,179 4,185

8 25,880 16,145 996,769 998,850 4,178 4,185

Contra-corrente

1 25,855 16,105 996,775 998,858 4,178 4,185

2 25,055 15,490 996,946 998,990 4,179 4,185

3 25,260 15,940 996,902 998,894 4,178 4,185

4 25,520 16,575 996,846 998,758 4,178 4,184

5 26,175 16,860 996,706 998,697 4,178 4,184

6 26,500 17,235 996,637 998,617 4,178 4,184

7 26,165 15,870 996,709 998,909 4,178 4,185

8 26,345 16,530 996,670 998,768 4,178 4,185

Tabela 3- Massas volúmicas dos fluidos e Capacidades Caloríficas à Temperatura média de cada corrente.

21



• Com os valores calculados anteriormente podemoscalcular assim o caudal mássico para cada corrente e

para cada fluxo através da equação:

• E as respectivas transferências de calor pelas expressõesseguintes:

▫ Calor emitido (qq) qq = Qmq × Cpq × (TEQ – TSQ)

▫ Calor absorvido (qf ) qf = Qmf × Cpf × (TSF – TEF)

21

22



• Calor perdido ou ganho (qp)

qp = qq - qf

• A eficiência global (η) é obtida através de:

22

23



23

Fluxo Qmq

(kg/min)

Qmf

(kg/min) Qmq (kg/h) Qmf (kg/h) qq (kJ/h) qf (kJ/h) qp (kJ/h) η (%)

Co-corrente

1 2,043 0,999 122,592 59,925 655,552 697,106 -41,554 106,339

2 2,043 2,028 122,597 121,664 824,622 870,649 -46,026 105,581

3 2,033 0,499 121,990 29,959 473,953 520,196 -46,243 109,757

4 1,007 0,499 60,401 29,961 393,659 423,741 -30,082 107,642

5 0,498 0,489 29,905 29,364 303,633 334,224 -30,590 110,075

6 0,498 1,009 29,907 60,534 383,647 410,402 -26,755 106,974

7 0,489 2,018 29,310 121,075 411,514 456,048 -44,534 110,822

8 1,007 1,029 60,404 61,729 514,831 529,562 -14,732 102,861

Contra-corrente

1 1,007 1,019 60,405 61,130 512,312 519,313 -7,001 101,367

2 0,498 1,998 29,908 119,879 431,160 411,413 19,747 95,420

3 0,498 0,979 29,907 58,735 382,390 408,032 -25,641 106,706

4 0,498 0,499 29,905 29,963 312,379 342,285 -29,905 109,573

5 0,997 0,499 59,802 29,961 407,241 421,228 -13,987 103,435

6 2,033 0,489 121,988 29,359 489,228 514,702 -25,474 105,207

7 2,013 1,998 120,801 119,869 822,630 812,674 9,955 98,790

8 1,993 0,999 119,600 59,926 654,541 677,058 -22,517 103,440

Tabela 4- Caudais mássicos. Calor fornecido pelo fluido quente (qq) e Calor recebido pelo fluido frio (qf), Calor Perdido (qp) e eficiência global (%).

24



• Para o cálculo da variação da temperatura de fluidosutilizamos as fórmulas seguintes:

Tq = (TEQ – TSQ)

Tf = (TEF – TSF)

• Para a eficiência dos fluidos tanto em co-corrente econtra-corrente como descrito no protocoloexperimental, temos:

▫ Fluido quente

▫ Fluido frio

24

25



25

Fluxo ∆Tq

(ºC) ∆Tf (ºC) η

q(%) η

f (%) η

m(%)

Co-corrente

1 1,280 2,780 10,894 23,660 17,277

2 1,610 1,710 13,679 14,528 14,104

3 0,930 4,150 7,915 35,319 21,617

4 1,560 3,380 13,265 28,741 21,003

5 2,430 2,720 20,912 23,408 22,160

6 3,070 1,620 26,239 13,846 20,0437 3,360 0,900 28,991 7,765 18,378

8 2,040 2,050 17,317 17,402 17,360

Contra-corrente

1 2,030 2,030 17,233 17,233 17,233

2 3,450 0,820 29,487 7,009 18,248

3 3,060 1,660 26,199 14,212 20,205

4 2,500 2,730 21,626 23,616 22,6215 1,630 3,360 13,802 28,450 21,126

6 0,960 4,190 8,108 35,389 21,748

7 1,630 1,620 13,674 13,591 13,633

8 1,310 2,700 11,083 22,843 16,963

Tabela 5 - Representações das Diferenças da Temperatura e respectivas eficiências.

26



• Diferença de temperatura à cota L=0 (T1), emque temos:

em co-corrente

em contracorrente• Diferença de temperatura à cota L= 1 (T2), em

que temos:

em co-corrente

em contracorrente

26

27



• Diferença de Temperatura Média Logaritmica(ΔTml)

• Determinação do Coeficiente Global (U)

27

28



28

Fluxo ∆T1 (ºC) ∆T2 (ºC) ∆Tml U (kJ/h.m2)

Co-corrente

1 11,750 7,690 9,577 62,686

2 11,770 8,450 10,018 75,378

3 11,750 6,670 8,972 48,379

4 11,760 6,820 9,067 39,761

5 11,620 6,470 8,795 31,615

6 11,700 7,010 9,156 38,3747 11,590 7,330 9,298 40,531

8 11,780 7,690 9,590 49,162

Contra-corrente

1 9,750 9,750 #DIV/0! #DIV/0!

2 10,880 8,250 9,504 41,544

3 10,020 8,620 9,302 37,644

4 8,830 9,060 8,945 31,983

5 8,450 10,180 9,288 40,152

6 7,650 10,880 9,170 48,856

7 10,300 10,290 10,295 73,176

8 9,120 10,510 9,799 61,174

Tabela 6 - Representações das Diferenças da média Logaritmica (Tml) e do coeficiente Global (U).

29



CONCLUSÃO• O permutador apresenta resultados mais viáveis

em contra-corrente com o caudal 2,04 L/min

fluido quente e 0,5 L/min de fluido frio, comuma perda de 46,243 KJ/h.

• Em co-corrente teve-se um ganho de 19,747KJ/h com um caudal de 2,00 L/min fluido frio e0,50 L/min de fluido quente.

29

30



• Verificamos também que a eficiência global daContracorrente e da Co-corrente, quase sempresuperior a 100%.

• O que corresponde à realidade pois atemperatura do caudal frio à entrada é inferior à

temperatura ambiente, à excepção de dois fluxosde contra-corrente, que pode provir de erros decálculo ou medida.

30

31



• Teoricamente, o Tml é superior em

contracorrente do que em co-corrente, o qual foi verificado embora a diferença não seja muitoacentuada.

• O coeficiente global de transferência de calor, verificámos que à medida que aumentamos oscaudais de água quente ou fria o coeficientetambém aumenta, entretanto os valores entrecada fluxo são muito aproximados.

31

32



• Relativamente à circulação do fluido quente no

interior dos tubos de aço inox, podemos dizerque quanto maior o caudal do fluxo quente,maior será o calor fornecido ao sistema, logo queeste facilita a emissão de calor para o seu

exterior.

• Analisando as diferenças entre qq e qf , verificamos que o calor absorvido é superior aoemitido, também devido à influência daTemperatura exterior.

32

33



• Como os valores de coeficiente global detransferência são superiores em co-corrente doque em contra corrente, verificamos que opermutador de calor não se encontra no seu

ideal pois deveria ser mais eficiente em contra-corrente que em co-corrente, logo leva que a Área de transmissão de calor deveria sersuperior.

33

34



BIBLIOGRAFIA• - Avelino, H., Puna, J., Coentro, A., Sebenta de Fenómenos de

Transferência I - Transferência de Calor, Instituto SuperiorEngenharia de Lisboa, Lisboa, Fevereiro 2003.

• - Avelino, H., Palmeira, J., Figueiredo, A., Módulo de Fenómenos detransferência – Técnicas dos trabalhos prático, Instituto SuperiorEngenharia de Lisboa, Lisboa, Fevereiro 2011.

• – Pires, A., H. Avelino, Tabelas Tecnologia Química, InstitutoSuperior Engenharia de Lisboa, Lisboa, Março 2002.

• - http://perfline.com/livro/download/Fdm_CEC_cap_11.pdf ,acedido em 28Dezembro pelas 15h

• - Apontamentos teóricos - práticos da Disciplina Fenómenos deTransferência I

34

http://perfline.com/livro/download/Fdm_CEC_cap_11.pdf

http://perfline.com/livro/download/Fdm_CEC_cap_11.pdf

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