CAPÍTULO 4CAPÍTULO 4

PROJETO TPROJETO TÉÉRMICO DE RMICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO TROCADORES DE CALOR TIPO

DUPLO TUBODUPLO TUBO

•Metodologia de projeto

•Descrição dos trocadores

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

Comprimentos

COEFICIENTES DE PELCOEFICIENTES DE PELÍÍCULA CULA PARA FLUIDOS EM TUBOSPARA FLUIDOS EM TUBOS

( )( )14,0

31

86,1

=

pLDrPeRNu

µµ

14,031

86,1

=

p

pi

LD

kCVD

kDh

µµµ

µρ

10>LDrPeR d

Escoamento laminar

14,0

318,0027,0

=

p

rPeRNuµµ

Escoamento turbulento

COEFICIENTES DE PELCOEFICIENTES DE PELÍÍCULA PARA CULA PARA FLUIDOS QUE ESCOAM EM ANFLUIDOS QUE ESCOAM EM ANÉÉISIS

PADH

4=

Transferência de calor

( )1

21

22

1

21

22

4444

DDD

DDD

molhadoperímetroescoamentodeárea

PADH

−=

−=

×==

ππ

Perda de carga( )( ) 12

12

21

22'

4444 DD

DDDD

atritodemolhadoperímetroescoamentodeárea

PADH −=

+−

=×

==ππ

QUEDA DE PRESSQUEDA DE PRESSÃÃO EM TUBOS O EM TUBOS E SEE SEÇÕÇÕES ANULARESES ANULARES

8,0Vhi α2Vpα∆

ρ2

42V

DLfp =∆

para escoamento laminar

eRf 16=

para escoamento turbulento em tubos lisos:

32,0

125,00014,0eR

f +=

para escoamento turbulento em tubos rugosos:

42,0

264,00035,0eR

f +=

Perda de carga localizada

ρ2

2Vp =∆

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.

o27 C

o49 C

71 Co

o38 C

1) Condições do processo necessárias:

Fluido quente: Tolueno

=qm& ?. ∆p = 0,7 bar. Rd = W

Cm o2

0002,0T1 = 71 °C. T2 = 38 °C.

Fluido frio: Benzeno

∆p = 0,7 bar. Rd = W

Cm o2

0002,04 454 kgh=fm&t1 = 27 °C. t2 = 49 °C.

2) Temperaturas médias:

CTTT 021 5,542

38712

=+

=+

=

Cttt o382

49272

21 =+

=+

=

3) Propriedades físicas:

CkgkJ

o. CkgkJ

o.

smkg

. smkg

.

CmW

o. CmW

o.

Tolueno Benzeno

Cp = 1,842 Cp = 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:

Utilizaremos tubo IPS 2” x 1 ¼”, com 6 metros de comprimento.

5) Balanço de calor:

( ) ( ) kWCCkgkJ

hkgttCm o

opff 42,482749.779,1.454412 =−=−= &benzeno Q

tolueno

( ) ( ) hkg

skg

CCkgkJ

kWTTC

Qmo

opqq 2868797,0

3871.842,142,48

12

==−

=−

=&

6) MLDT:

( ) ( ) ( ) ( ) C

tTtT

tTtTMLDT o87,15

27384971ln

27384971

ln12

21

1221 =

−−

−−−=

−−

−−−=

Para o tubo interno: Benzeno

7) Área de escoamento:2

2

00096,04035,0 mat ==

πmmDi 35"38,1 ==

8) Velocidade do escoamento:

sm

amV

tt 46,1

00096,0.1000.88,03600/4454

.===

ρ&

93689105

035,0.46,1.1000.88,04 =

×== −µ

ρ DVeR t9) Reynolds:

10) Prandtl:67,5

157,01779.105 4

=×

==−

kC

rP pµ

11) Nusselt:

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

CtTT op 25,46

2385,54

2=

+=

+=

correspondendo a µp = 1,8 smkg

.

3,4428,1

779,1.67,5.89936.027,0027,014,0

318,0

14,0

318,0 =

=

=

p

rPeRNuµµ

12) Coeficiente de transferência de calor por convecção:

CmW

DkNuh oi .1984

035,0157,03,442 2===

Para o anel: Tolueno

13) Área de escoamento: mmmD 04216,016,42"66,11 ===

mmmD 0525,05,52"067,22 ===

( ) ( ) 2222

122 000769,0

404216,00525,0

4mDDaa =

−=

−=

ππ

14) Diâmetro equivalente:

mD

DDmolhadoperímetro

escoamentodeáreaDH 0232,004216,0

04216,00525,04 22

1

21

22 =

−=

−=

×=

sm

am

aa 191,1

000769,0.1000.87,0797,0

.===

ρ&15) Velocidade do escoamento: V

16) Reynolds:58632

101,40232,0.191,1.1000.87,0

4 =×

== −µρ Ha DVeR

17) Prandtl:14,5

147,01842.101,4 4

=×

==−

kC

rP pµ

18) Nusselt:

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

p 25,462

385,542

=+

=+

=

correspondendo a µp = 1,8 smkg

.

3048,1

842,1.14,5.58632.027,0027,014,0

318,0

14,0

318,0 =

=

=

p

rPeRNuµµ

19) Coeficiente de transferência de calor por convecção:

CmW

DkNuh o

He .2,1926

0232,0147,0304 2===

20) Temperatura da parede:

( ) ( ) ( ) CtThh

htt occ

oio

ocw 89,46385,54

2,192604216,0

035,0.19842,192638 =−

++=−

++=

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:

ee

iee

i

ie

ii

ee

hRd

krrd

dRdd

hddU

12

)ln(1

++++=

CmWU

U

oe

e

.3,609

2,192610002,0

53.2)035,0/04216,0ln(04216,0

035,00002,0.04216,0

1984.035,004216,0

1

2=

++++=

2587,15.3,609

42048 mMLDTUQ

==⋅

=22) Área total de troca térmica: A

23) Número de tubos:3,6

6.04216,0.5

==⋅⋅

=ππ LD

ANe

t

O número de tubos deve ser inteiro, usaremos 6 tubos

2' 768,46.6.04216,0.... mNLDA te === ππ

O trocador ésatisfatório quanto àtransferência de calor

→<−=×−

=×−

= %5%63,41005

5768,4100%'

AAAErro

24) Número de grampos:

326

2=== t

gNN

Cálculo da perda de carga:

Para o tubo interno:

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

0057,089936

264,00035,0264,00035,0 42,042,0 =+=+=eR

f

26) Perda de carga no tubo

barbarVDLfpt 7,022,010.1000.88,0

246,1

035,0360057,0.4

24 5

22

<===∆ −ρ

Para o anel:

27) Diâmetro equivalente:

mDDatritodemolhadoperímetro

escoamentodeáreaDH 0103,004216,00525,0412

' =−=−=×

=

28) Reynolds para perda de carga no anel

26030101,4

0103,0.191,1.1000.87,04

'

=×

== −µρ Ha DVeR

29) Fator de atrito

0071,026030

254,00035,0264,00035,0 42,042,0' =+=+=eR

f

30) Perda de carga no anel

barVDLfp

Ha 62,010.1000.87,0

2191,1

0103,036.0071,0.4

24 5

22

' ===∆ −ρ

31) Perda na entrada e na saída

Uma carga cinética para cada grampo

barVpg 0038,010.1000.87,02

191,12

522

===∆ −ρ

32) Perda total

barbarNppp ggaaneltotal 7,063,00038,0.362,0 <=+=⋅∆+∆=∆

Se as condições estabelecidas inicialmente não forem atendidas, retornar ao ponto 4 e arbitrar outros diâmetros e/ou comprimento para os tubos