Upload
renata-padua
View
224
Download
4
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Cap11 Trocadores de calor
Citation preview
ENG-278 – Transferência de Calor e de Massa Capítulo 11 – Trocadores de Calor
1
Trocadores de calor Arranjo do escoamento
Correntes paralelas
Correntes Contrárias
Correntes Cruzadas Não misturado
Um fluido misturado
Correntes mistas
ENG-278 – Transferência de Calor e de Massa Capítulo 11 – Trocadores de Calor
2
Trocadores de calor Tipos de construção
Correntes cruzadas
Casco e tubo
Saída do
casco
Entrada
no casco
Entrada
no tubo
Saída
do tubo
Compactos (Área/Volume ≥ 700 m2/m3)
Fluido Quente
Fluido Frio
ENG-278 – Transferência de Calor e de Massa Capítulo 11 – Trocadores de Calor
3
Trocadores Casco e Tubo
Identificação Padrão TEMA (Tubular Exchanger Manufactures Association)
ENG-278 – Transferência de Calor e de Massa Capítulo 11 – Trocadores de Calor
4
Trocadores Casco e Tubo
ENG-278 – Transferência de Calor e de Massa Capítulo 11 – Trocadores de Calor
5
Trocadores Casco e Tubo
ENG-278 – Transferência de Calor e de Massa Capítulo 11 – Trocadores de Calor
6
Trocadores compactos Trocador de placas
Usado para fluidos viscosos. Comum nas indústrias de alimentos.
ENG-278 – Transferência de Calor e de Massa Capítulo 11 – Trocadores de Calor
7
Trocadores compactos Trocador de placas
ENG-278 – Transferência de Calor e de Massa Capítulo 11 – Trocadores de Calor
8
ENG-278 – Transferência de Calor e de Massa Capítulo 11 – Trocadores de Calor
9
ENG-278 – Transferência de Calor e de Massa Capítulo 11 – Trocadores de Calor
10
Fator de correção da média logarítmica da diferença de temperatura
Exemplo de gráfico (página 460)
Te, Ts = Temperaturas de entrada e saída do fluido quente.
te, ts = Temperaturas de entrada e saída do fluido frio.
ENG-278 – Transferência de Calor e de Massa Capítulo 11 – Trocadores de Calor
11
Relação Efetividade-Número de Unidades
de Transferência (ε-NUT) Exemplo de gráfico (página 467) e Equação (página 465)
Eq. 11.33: ( )[ ]
−−−= 11
1 780220 ,r
,
r
NUTCexpNUTC
expε
ENG-278 – Transferência de Calor e de Massa Capítulo 11 – Trocadores de Calor
12
Exemplo 11.2 Um trocador de calor de casco e tubo deve ser projetado para aquecer 2,5 kg/s de água de 15 a 85ºC. O aquecimento deve ser realizado pela passagem de óleo quente que se encontra a 160ºC, através do lado do casco do trocador. Sabe-se que o óleo de motor fornece um coeficiente de convecção he = 400 W/m2⋅K no lado externo dos tubos (carcaça). A água escoa no interior de 10 tubos, cada tubo apresenta parede delgada de D = 25 mm de diâmetro, e faz oito passes no casco. Se o óleo deixa o trocador a 100ºC, qual sua taxa mássica de escoamento? Qual deve ser o comprimento dos tubos para fornecer o aquecimento desejado? Dados Propriedades do óleo de motor (Tabela A5) - CTh º130=
cp = 2350 J/kg⋅K Propriedades da água (Tabela A6) - CTc º50=
cp = 4181 J/kg⋅K µ = 5,48×10-4 kg/m⋅s k = 0,643 W/m2⋅K Pr = 3,56 Correlações para escoamento interno
Escoamento laminar .36,4 constq
k
hDNu sD =′′=≡
.66,3 constTk
hDNu sD ==≡
Escoamento Turbulento Correlação de Colburn
( ) ( )msms
nDD
TTnouTTn
Nu
<=>=
=
3,04,0
PrRe023,0 54
101000016070 ≥≥<< DLRePr, D
ENG-278 – Transferência de Calor e de Massa Capítulo 11 – Trocadores de Calor
13
Exemplo 11.3 Gases quentes de exaustão entram em um tubo aletado de um trocador de calor com correntes cruzadas a 300 ºC e saem a 100 ºC. Estes gases são utilizados para aquecer água pressurizada a uma vazão de 1 kg/s de 35 a 125 ºC. O calor específico do gás de exaustão é aproximadamente 1000 J/kg⋅K e o coeficiente global de transferência de calor é U = 100 W/m2⋅K. Determine a área necessária para a troca de calor utilizando a) o método e-NUT e b) o método DTML. Dados
Propriedades da água (Tabela A6) - CTc º80= cp = 4197 J/kg⋅K Propriedades do gás de exaustão cp = 1000 J/kg⋅K
ENG-278 – Transferência de Calor e de Massa Capítulo 11 – Trocadores de Calor
14
Exercício 11.23
Um radiador de automóvel pode ser visto como um trocador de calor, como mostrado.
Água com vazão de 0,05 kg/s entra no radiador a 400 K e sai a 330 K, sendo resfriada pelo ar que entra a 0,75 kg/s e 300 K. (a) Classifique o trocador quanto ao arranjo do escoamento. (b) Se o coeficiente global de transferência de calor é de 200 W/m2⋅K, qual é a área da superfície necessária para a transferência de calor? Compare os resultados usando os métodos MLDT e ε-NUT. Dados
Propriedades da água (Tabela A.6) - CTh º365=
cp = 4209 J/kg⋅K Propriedades do Ar (Tabela A.4) - CTc º310≈
cp = 1007 J/kg⋅K
Água
Th,e
Ar Atmosférico
V, Tc,e
Tc,s
Placas
Th,s
ENG-278 – Transferência de Calor e de Massa Capítulo 11 – Trocadores de Calor
15
Exercício 11.43
Um trocador de calor de placa aletada é utilizado para condensar vapor saturado de R-12 em um sistema de ar condicionado, conforme a figura abaixo.
O vapor possui uma temperatura de saturação de 45 ºC, e uma taxa de condensação de 0,015 kg/s é necessária para os requisitos de desempenho do sistema. O projeto do condensador deve ser baseado na temperatura nominal de entrada do ar Tc,e = 30 ºC, com área frontal Afr = 0,25 m2 e velocidade nominal do ar V = 2 m/s, para o qual o catálogo do fabricante do trocador de calor indica um coeficiente global de U = 50 W/m2⋅K. (a) Classifique o trocador quanto ao arranjo do escoamento. (b) Qual é o valor correspondente da área da superfície de transferência de calor necessária para atingir a taxa de condensação necessária? (c) Qual é a temperatura de saída do ar? Considere calor latente do R-12 hl = 1,35×105 J/kg, ρar = 1,17 kg/m3 e Cpar = 1007 J/kg⋅K.
ENG-278 – Transferência de Calor e de Massa Capítulo 11 – Trocadores de Calor
16
Figura 11.12 - Fator de correção para um trocador de calor de passe único com correntes
cruzadas e dois fluidos não misturados.
Figura 11.18 – Efetividade para um trocador de calor de passe único com correntes cruzadas e
dois fluidos não misturados (equação 11.33).
( ) ( )[ ]{ }
−−
−=ε 1exp
1exp1 78,022,0 NUTCNUT
Cr
r