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Projeto TProjeto Téérmico dermico deTrocadores de CalorTrocadores de Calor
• Aspectos econômicos• Peso• Dimensões• Tipo
COEFICIENTE GLOBAL DE COEFICIENTE GLOBAL DE TROCA TTROCA TÉÉRMICA RMICA
(a) (b)
Flui
do A
Flu i
do B
TA
TB
TA 1T 2T BTq
q
1
h A1 A2
1
hA
x
k
1T
1h
2T
2h
Placa plana
AhkAx
Ah
TTq BA
21
11+
∆+
−=&
21
111
hkx
h
U+
∆+
=totalTUAq ∆=&
TA 1T 2T BT
q
1
h Ai Ae
1
hk
ln (r /r )e i2 Li e
~
Trocador de duplo-tubo
Fluido A
Fluido B
1 2
ee
ie
ii
BA
AhkLrr
Ah
TTq 12
)ln(1++
−=
π
&
ee
iiei
i
i
hAA
kLrrA
h
U1
2)ln(1
1
++=
π e
iee
ii
ee
hkLrrA
hAAU
12
)ln(11
++=
π
Valores aproximados dos coeficientes globais de transferência de calor
Situação física W/m2 K Btu/h pé2 °F
Parede com superfície externa de tijolo aparente, revestida internamente de gesso, não isolada
2,55 0,45
Parede estrutural, revestida internamente de gesso:Não isolada / Isolada com lã de rocha 1,42 / 0,4 0,25 / 0,07
Janela de vidro simples 6,2 1,1
Janela de vidro duplo 2,3 0,4
Condensador de vapor 1100-5600 200-1000
Aquecedor de água de alimentação 1100-8500 200-1500
Condensador de Freon-12 resfriado com água 280-850 50-150
Trocador de calor água-água 850-1700 150-300
Trocador de calor de tubo aletado com água no interior dos tubos e ar sobre os tubos
25-55 5-10
Trocador de calor água-óleo 110-350 20-60
Vapor-óleo combustível leve 170-340 30-60
Vapor-óleo combustível pesado 56-170 10-30
Vapor-querosene ou gasolina 280-1140 50-200
Trocador de calor de tubo aletado, vapor no interior dos tubos ear sobre os tubos
28-280 5-50
Condensador de amônia, água nos tubos 850-1400 150-250
Condensador de álcool, água nos tubos 255-680 45-120
Trocador de calor gás-gás 10-40 2-8
Exemplo 3.1: Água quente a 98°C escoa pelo interior de um tubo de aço [k = 54 W/m. °C] de 2 polegadas, schedule 40, exposto ao ar atmosférico a 20°C. A velocidade da água é 25 cm/s. Calcule coeficiente global de transferência de calor para esta situação, baseado na área externa do tubo.
Do Apêndice A as dimensões do tubo de 2 pol, schedule 40, sãodiâmetro interno = 2,067 pol = 0,0525 mdiâmetro externo = 2,375 pol = 0,06033 m
As propriedades da água a 98°C são
smkg
.1082,2 4−×=µ 76,1=rP3960 m
kg=ρCmWk o.68,0=
O número de Reynolds é680.44
1082,2)0525,0)(25,0)(960(
4 =×
== −µρ dVeRr
4,08,0023,0 rPeRNu =
( ) ( ) 4,15176,1680.44023,0 4,08,0 ==Nu
( )( )Cm
WdkNuh oi .1961
0525,068,04,151
2===
WC
kr
r
Roi
e
aço410097,4
)54(20525,0
06033,0ln
2
ln−×=
==ππ
A resistência térmica da superfície intema, é
( ) ( ) WC
rhAhR
o
iiiii
310092,30525,01961
1211 −×====
ππ
A resistência térmica da superfície externa é
eeeee rhAh
Rπ211
==
41
41
32,132,1
−
=
∆= ∞
dTT
dTh e
e
e
e
aço
ei
i
ia
RTT
RTT
RTT ∞−
=−
=−
( ) 45
4132,12 ∞
∞ −=− TT
dr
RTT
eee
e π
43 10097,410092,398
−− ×−
=×− eii TTT
( )( )( )( ) 4
1
45
406033,0
2032,106033,010097,4
−=
×−
−eei TTT π
CTCT oi
oe 65,976,97 ==
CmWh oe .91,7
06033,0206,9732,1 2
41
=
−=
( ) ( ) WCR
o
e 667,006033,091,7
1==
π
( )eaçoiee RRRA
U++
=1
( )( )( ) CmWU oe .87,7
667,010097,410092,3106033,01
243 =+×+×
= −−π
FATORES DE INCRUSTAFATORES DE INCRUSTAÇÃÇÃOO
mpolisujo UURd 11
−=
Dano econômico
1. Ao dispêndio mais alto de capital em virtude de unidades superdimensionadas.2. Às perdas de energia devidas à falta de eficiência térmica.3. Aos custos associados à limpeza periódica dos trocadores de calor.4. À perda de produção durante o desmonte para limpeza.
Classificação das incrustações Classificação das incrustações devido a sua naturezadevido a sua natureza
•Incrustação por precipitação, a cristalização da substância dissolvida na solução sobre a superfície de transferência de calor•Incrustação por sedimentação, o acúmulo de sólidos finamente divididos, suspensos no fluido do processo sobre a superfície de transferência de calor•Incrustação por reação química, a formação de depósitos sobre a superfície de transferência de calor, por reaçao química•Incrustação por corrosão, o acúmulo de produtos de corrosão sobre a superfície de transferência de calor•Incrustação biológica, o depósito de microorganismos na superfície de transferência de calor•Incrustação por solidificação, a cristalização de um líquido puro, ou de um componente da fase líquida, sobre a superfície de transferência de calor sub-resfriada
IncrustaçãoIncrustação
Corrosão por enxofre e gases contendo enxofre, observando-se resíduo de sulfeto de ferro.Tubo de aço (4-6% Cr e 0,5% Mo), temperatura de 550-600 oC e cerca de oito meses de operação
Tubulação de aço carbono com tubérculos de óxido de ferro
Tubos com incrustação de carbonato de cálcio
Tubo de caldeira com incrustação predominante de
fosfato de cálcio
Tubo de caldeira com incrustação predominante de
carbonato de cálcio
Depósitos Depósitos biológicosbiológicos
A proliferação de algas, fungos, bactérias formadoras de limo e bactérias modificadoras do meio ambiente pode causar problemas de deposição nos trocadores, chegando em certos casos à obstrução
FoulingFouling
Pode ser considerado um aglomerado de materiais, onde o ligante normalmente é a biomassa e, em outros casos, óleomineral ou fluidos de processo, e o material aglutinado é constituído da sólidos suspensos, tais como, silt, lama, produtos de corrosão e outros precipitados inorgânicos.
Fator de incrustação Rd em equipamentos de transferência de calor
WCm o.2
WCm o.2
Velocidade da água 1 m/s ou menos Velocidade da água superior a 1 m/s
Tipos de água:
Água do mar 0,000088 0,000088
Destilada 0,000088 0,000088
Água tratada para alimentação de caldeira
0,00018 0,000088
Camisa de motor 0,00018 0,00018
Grandes Lagos (EUA) 0,00018 0,00018
Torre de resfriamento e tanque de aspersãoAgua de reposição tratada 0,00018 0,00018
Agua sem tratamento 0,00053 0,00053
Sangria de caldeira 0,00035 0,00035
Água salobra 0,00035 0,00018
Água de rio
Mínimo 0,00036 0,00018
Mississipi 0,00053 0,00035
Delaware, Schuylkill 0,00053 0,00035
East River e Baía de Nova Iorque 0,00053 0,00035
Canal sanitário de Chicago 0,0041 0,00106
Lamacenta ou lodosa 0,00053 0,00035
Dura (acima de 15 grãos/galão) 0,00053 0,00053
Tipos de fluido:
Óleos industriais
óleo de recirculação limpo 0,00018
óleos de máquinas ou de transformador
0,00018
óleos vegetais 0,00053
óleo de têmpera 0,00070
óleo combustível 0,00088
Gases e vapores industriais
Vapores orgânicos 0,000088
Vapor de água (isento de óleos)
0,000088
Vapores de álcool 0,000088
Vapor de água, descarga 0,00018
Vapores refrigerantes 0,00035
Ar 0,00035
Líquidos industriais
Orgânicos 0,00018
Líquidos refrigerantes 0,00018
Salmoura (refrigerante) 0,00018
DISTRIBUIDISTRIBUIÇÃÇÃO DE TEMPERATURA O DE TEMPERATURA NOS TROCADORES DE CALORNOS TROCADORES DE CALOR
DIFERENDIFERENÇÇA DE TEMPERATURAA DE TEMPERATURA
mTUAq ∆=
fffqqq dTCmdTCmdq && =−=
qqq Cm
dqdT&
−=
fff Cm
dqdT&
=
( )
+−=−=−
ffqqfqfq CmCm
dqTTddTdT&&
11
21 qqqq TT
qCm−−
=&
( )dA
CmCmU
TTTTd
ffqqfq
fq
+−=
−
−&&
11
21 ffff TT
qCm−
=&
+−=
−
−
ffqqfq
fq
CmCmUA
TTTT
&&
11ln11
22
( ) ( )
−
−
−−−=
11
22
1122
lnfq
fq
fqfq
TTTT
TTTTUAq
diferença média logarítmica de temperatura (DMLT)
( ) ( )
−
−
−−−=∆
11
22
1122
lnfq
fq
fqfqm
TTTT
TTTTT
CORRECORREÇÃÇÃO DA MLDT EM TROCADORES COM O DA MLDT EM TROCADORES COM
CORRENTES CRUZADAS E MULTIPASSECORRENTES CRUZADAS E MULTIPASSE
P
P
FmTFUAq ∆=
11
12
tTttP
−−
=
( )( )
cascodoladop
tubodoladop
Cm
Cm
ttTTR
&
&=
−−
=12
21 F
TEMPERATURA DA PAREDE DO TUBOTEMPERATURA DA PAREDE DO TUBO
io
cw
ioo
cc
Rtt
RRtT
RTQ −
=+−
=Σ∆
=
000
111
i
cw
i
cc
h
tt
hh
tT −=
+
−
( )ccoio
ocw tT
hhhtt −+
+=
( )ccoio
iocw tT
hhhTt −+
−=
Quando o fluido quente está no interior do tubo
( )ccoio
iocw tT
hhhtt −+
+=
( )ccoio
ocw tT
hhhTt −+
−=