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UNIP - UNIVERSIDADE PAULISTA Curso: Engenharia Mecânica Projeto Trocador de Calor Grupo: 13 Professora: Simoni M. Gheno Arthur Philip Picaccio 587127 -1 EM8P- 18 Renan Ricardo Busquini 598334 -7 EM8P- 18 1

Projeto Trocador de Calor

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Page 1: Projeto Trocador de Calor

UNIP - UNIVERSIDADE PAULISTA

Curso: Engenharia Mecânica

Projeto Trocador de Calor

Grupo: 13

Professora: Simoni M. Gheno

Arthur Philip Picaccio 587127-1 EM8P-18Renan Ricardo Busquini 598334-7 EM8P-18Tainan Tofani Fernandes 260342-8 EM8P-18Rafael Dediano Clementino EM8P-18

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Page 2: Projeto Trocador de Calor

Sumário

1. INTRODUÇÃO......................................................................................................................................3

2. OBJETIVOS...........................................................................................................................................4

3. MATERIAIS E MÉTODOS UTILIZADOS...................................................................................................6

3.1 CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS A SEREM UTILIZADOS NO PROJETO...............................................7

3.2 MÉTODOS DE CÁLCULO...............................................................................................................8

3.2.1 MÉTODO DE KERN......................................................................................................................8

3.2.2 ROTEIRO DE CÁLCULO................................................................................................................8

4. NOMENCLATURA...........................................................................................................................11

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES..........................................................................................................14

5.1 RESULTADOS................................................................................................................................14

5.2 DISCUSSÕES.................................................................................................................................14

6. CONCLUSÕES.................................................................................................................................15

7. BIBLIOGRAFIA................................................................................................................................15

8. ANEXOS.........................................................................................................................................16

8.1 COEFICIENTE GLOBAL DE PROJETO APROXIMADO......................................................................16

8.2 FATORES DE ATRITO....................................................................................................................17

8.3 CURVA DE TRANSMISSÃO DE CALOR LADO CARCAÇA.................................................................18

8.4 CURVA TRASMISSÃO DE CALOR PARA ÁGUA INTERIOR DO TUBO...............................................19

8.5 CURVA TRANSMISSÃO DE CALOR PARA INTERIOR DO TUBO......................................................20

8.6 FATORES DE INCRUSTAÇÃO.........................................................................................................21

8.7 ANEXO A – DESENHO DO TROCADOR DE CALOR.........................................................................22

8.8 ANEXO B – MEMORIAL DE CÁLCULO...........................................................................................23

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Page 3: Projeto Trocador de Calor

1. INTRODUÇÃO

Trocadores de calor são dispositivos utilizados para realizar o processo da troca

térmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas.

Este processo é comum em muitas aplicações da Engenharia e em diversos tipos

construtivos, dentre os quais, um dos mais utilizados industrialmente é o de casco tubo,

que consiste de um casco com um feixe de tubos dentro dele. Um fluido corre através

dos tubos, e outro fluido corre sobre os tubos (através do casco) de maneira a transferir

calor entre os dois fluidos. O conjunto de tubos é chamado feixe de tubos, e pode ser

composto por diversos tipos de tubos: planos, longitudinalmente aletados, etc.

Para avaliar ou projetar um trocador de calor, o engenheiro tem de saber que a

várias variáveis envolvidas e afim de fazer um correto dimensionamento ele precisa

conhece-las bem.

As principais variáveis que devem ser consideradas em um projeto de trocador de

calor são:

Características dos fluídos, dentre as quais destacam-se (condutibilidade

térmica, densidade, viscosidade e calor específico).

Temperaturas de operação

Pressões de operação

Velocidade de escoamento

Perda de carga admissível

Fator de sujeira

Localização dos fluidos, no qual deve-se levar em conta algumas

considerações (tendência de incrustação, corrosão, temperatura e pressão

muito elevadas, velocidade de escoamento, viscosidade, fluidos letais e

tóxicos, fluido com diferença muito elevada entre as temperaturas terminais).

3

Page 4: Projeto Trocador de Calor

Figura 1.1

Figura 1.2

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Page 5: Projeto Trocador de Calor

Figura 1.3

2. OBJETIVOS

O trocador de calor casco tubo selecionado, terá como finalidade resfriar óleo de

lubrificação dos mancais, servo motores, válvulas de controle e válvulas de segurança

instaladas em uma turbina de pequeno, pois o superaquecimento do óleo pode causar

diversos danos e mau funcionamento da mesma, tais como:

• Ebulição do óleo

• Falta de lubrificação

• Falta de resfriamento

• Perda das propriedades físico químicas do fluido

• Vazamento por redução da viscosidade

5

Page 6: Projeto Trocador de Calor

• Em caso de funcionamento hidráulico pode reduzir a forca de cilindros,

fadiga e ruídos na bomba hidráulica

O óleo utilizado para lubrificação é o ISO VG68, o fluido quente (óleo) tem uma

vazão de 5 kg/s a uma temperatura média de 60°C a temperatura ideal para retornar

para operação na máquina é de 45°C, porém alteramos a mesma para 47 ºC a fim de

verificar quais as variações de eficiência, vazão e troca de calor poderíamos

obter com tal modificação.

Neste processo o trocador de calor é de extrema importância devido a

necessidade do resfriamento do fluido para que este volte ao processo produtivo. O

fluido frio escolhido para o resfriamento foi a água (utilizada em 90% dos trocadores de

calor), estando esta disponível nas instalações a uma temperatura de 30°C. A máxima

temperatura que pode ela atingir na saída do trocador de calor é de 34°C (devido a

potência atual da torre de resfriamento), considerando essas necessidades de

temperaturas, será calculado um trocador de calor levando em conta as duas variações

de temperatura (entrada e saída), tanto do fluido quente quanto do fluido frio.

Para projetar um trocador de calor com máxima eficiência, menor tamanho e

custo, devido a estas necessidades, serão iniciados os estudos com um trocador de

calor casco e tubo, considerando inicialmente um passe no casco e dois passes no

tubo. Existem alternativas para aumentar a eficiência de um trocador de calor, tais

como:

Uso de aletas nos tubos;

Uso de chicanas;

Maior número de passes entre casco e tubo;

O objetivo do estudo não é calcular a parte mecânica (espessura de chapas,

flanges, parafusos, diâmetros dos flanges de entrada e saída do fluído frio, diâmetros

dos flanges de entrada e saída do fluido quente e etc), e sim determinar a vazão

mássica do fluído frio (água) para especificar a bomba e conferir se o fator de

6

Page 7: Projeto Trocador de Calor

incrustação do resfriador desenvolvido para óleo é aceitável na vazão mássica de fluido

que está será utilizado.

3. MATERIAIS E MÉTODOS UTILIZADOS

A natureza dos fluidos que circulam num trocador de calor constitui um fator

fundamental para seu desenvolvimento, todo o projeto tem como “base” as

propriedades dos fluidos quentes e frios que passarão pelo trocador de calor com o

objetivo de trocar calor, seja para resfriar ou aquecer.

Neste estudo considera-se que o fluido quente se trata de um óleo

lubrificante/refrigerante (ISO VG 68), com viscosidade considerável para o escoamento

no interior do trocador. O fluido frio se trata de água (no estado natural), o fluido frio foi

escolhido devido as suas propriedades físicas conhecidas, abundancia e baixo custo

para o processo. Em alguns casos o fluido frio é tratado com o uso de aditivos para

aumento da capacidade de troca de calor (não é o caso deste).

3.1 CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS A SEREM UTILIZADOS NO PROJETO

Fluídos utilizados neste projeto:

Óleo ISO VG 68

Água

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Page 8: Projeto Trocador de Calor

A tabela 3.1 mostra os dados técnicos dos fluidos que serão utilizados neste

projeto (não considerando a variação de temperatura):

Tabela 3.1

Propriedades dos FluídosFluido Quente (A ser resfriado) -

CARCAÇA Fluido Frio (Resfriador) - TUBONome: Óleo ISO VG 68 Nome: Água

T° Entrada: 65 °C T° Entrada: 30 °CT° Saída: 47 °C T° Saída: 34 °C

Pressão operação: 22 psi Pressão Operação: 22 psiT° Média: 56 °C T° Média: 32 °C

Vazão mássica: 5 Kg/s Vazão mássica: 9,98021 Kg/sCalor específico: 0,223 BTU/lb.°F Calor específico: 1 BTU/lb.°F

Fator de incrustação: 0,00018 m².°C/W

Fator de incrustação: 0,00018 m².°C/W

Condut. Térmica: 0,0773 BTU/h.ft.°F Condut. Térmica: 0,3715 BTU/h.ft.°FViscosidade

Dinamica: 19,02 lb/h.ftViscosidade

Dinamica: 1,33 lb/h.ftPrandt (Pr): 139 h.ft².°F/BTU Prandt (Pr): 3,58 h.ft².°F/BTU

Densidade do fluído: 880 Kg/m³

Densidade do fluído: 998 Kg/m³

           

As unidades de medida utilizadas neste projeto são:

Sitema Inglês (Devido a literatura existente)

Sistema Internacional

3.2 MÉTODOS DE CÁLCULO

3.2.1 MÉTODO DE KERN

É um método de fácil utilização, sendo bem sucedido com modelos de

trocadores de calor casco e tubos com tolerâncias usuais, mas apresenta pouca 8

Page 9: Projeto Trocador de Calor

precisão, que torna-se tanto mais crítica quanto mais o escoamento do fluido situa-se

em regime laminar, o qual exige um tratamento bem mais complexo.

3.2.2 ROTEIRO DE CÁLCULO

A) Verificação de um trocador de calor:

Dados de entrada: dimensões do trocador, diâmetros, comprimento, número de

passes, arranjo dos tubos.

Especificar como entrada: T1=Tqe, T2=Tqs, t1=Tfe, vazões das correntes de fluidos e p

admissíveis.

1) Calcular a taxa de transferência de calor ou t2 por meio de balanço de energia

(calor removido é igual ao calor transportado);

Q = mq Cpq (Tqe - Tqs) = mf Cpf (Tfs - Tfe)

Obs: os calores específicos são calculados na temperatura média.

2) Calcular a diferença de temperatura média logarítmica (Tml ) contracorrente;

3) Calcular a correção da diferença de temperatura para o arranjo considerado –

F (Gráfico Kern);

4) Selecionar qual fluido irá nos tubos e qual no casco;

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Page 10: Projeto Trocador de Calor

5) Cálculo do hi - fluido dos tubos;

5.1) Calcular Ret;

5.2) Calcular Nu das correlações;

5.3) Aplicar, se for o caso, a correção com a viscosidade da parede

(/p)0,14

6) Cálculo do he - fluido casco;

6.1) Calcular Re;

6.2) Obter jh;

6.3) Calcular he;

7) Calcular o Ulimpo;

8) Calcular o Uprojeto por: Q=AUp.Tml;

9) Calcular o critério de desempenho, Rf total através de Up e Ul

10) Calcular as perdas de carga no casco e nos tubos e comparar com a

admissível.

B) Cálculo e projeto de um trocador de calor:

Dadas as condições de processo: T1,T2,t1, t2 vazões, perdas de carga

admissíveis e fatores de incrustação disponíveis de acordo com os fluidos utilizados.

O comprimento do tubo, o diâmetro externo do tubo e o passo serão

especificados pela prática de projetos (ou pela norma TEMA)

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Page 11: Projeto Trocador de Calor

1) Calcular a taxa de transferência de calor ou t2 por meio de balanço de energia;

Q = mq Cpq (Tqe - Tqs) = mf Cpf (Tfs - Tfe)

Obs: os calores específicos são calculados na temperatura média;

2) Calcular a diferença de temperatura média logarítmica (Tml ) contracorrente

3) Supor um número de passagens nos tubos (Npt)

4) Calcular a correção da diferença de temperatura para o arranjo considerado -

F

C) Tentativa 1 (utilizada no memorial de cálculo):

5) Estimar o valor de Up, o coeficiente global de projeto - incluindo os depósitos

por incrustações (escolher sempre um valor superior)

6) Cálculo da área A=Q/Up.Tml e o número de tubos

7) Selecione um trocador (Di) para o número mais próximo de tubos de acordo

com a contagem de tubos

8) Corrija o valor de Up para a área correspondente ao número real de tubos

que podem estar contidos no casco.

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Page 12: Projeto Trocador de Calor

4. NOMENCLATURA

Nomenclatura utilizada no memorial de cálculos

 

Q: Calor

m: Massa

c: Calor específico

∆t: Diferença de temperatura

MLDT: Média logarítmica de temperatura

F: Fator de correção (F) encontrado

MLDTc: Média logarítmica de temperatura corrigida

Ø Ic: Diâmetro interno do casco (m)

C': Espaço livre entre os tubos (m)

B: Espaçamento entre as chicanas (m)

Lc: Comprimento do casco (m)

Pt: Passo entre os tubos (m)

Lt: Comprimento dos tubos

Ø Int: Diâmetro interno dos tubos (m)

ØExt: Diâmetro externo dos tubos (m)

Esp

Tub: Espessura da parede do tubo (m)

Área: Área de troca térmica

Área c: Área de troca térmica + coeficiente de segurança

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Page 13: Projeto Trocador de Calor

Nt: Número de tubos

Ud: Coeficiente global corrigido

a't: Área de escoamento de um tubo ((π*d^2)/4)

n: Número de passes pelos tubos

at: Área de escoamento

As: Área de escoamento

Gt: Vazão mássica por unidade de área (Kg/s*m²)

W: Vazão mássica do fluido do lado da carcaça (kg/s)

Deq: Diâmetro equivalente p/ transmissão de calor (ft²)

Gq: Vazão Mássica por unidade de área (lb/h*ft²)

𝜇𝑞: Viscosidade dinâmica (lb/ft*h)

Req: Número de Reynalds

Vf: Velocidade de escoamento do fluido frio (m/s)

𝜌: Densidade do fluido (kg/m³)

K: Condutividade térmica

Nut: Número de Nusselt

Re: Número de Reynalds

Prt: Número de Prandt

Jh: Encontrado no gráfico fig. 28 Kern

hi: Coeficiente genérico para transferência de calor

ho: Coeficiente de película

Rd: Fator de incrustação13

Page 14: Projeto Trocador de Calor

UC: Coeficiente de transmissão de calor de polimento

U'd: Coeficiente global corrigido

f: Fator de atrito de Fanning

𝜃𝑒: O termo (μ/μw)^0,14

S: Densidade relativa adimensional

∆𝑃𝑓: Perda de carga do fluído

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES

5.1 RESULTADOS

Tabela 5.1

Tabela – Resultados obtidosVazão mássica do fluído quente [kg/s]: 5,0000Vazão mássica do fluído frio [kg/s]: 9,9802

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Page 15: Projeto Trocador de Calor

∆T Fluído quente [°C]: 18,0000∆T Fluído frio [°C]: 4,0000Calor a ser trocado [W]: 166909,0049Área de troca térmica [m²]: 17,8656Número de tubos: 122,3439Velocidade do fluído frio [m/s]: 0,8391Coeficiente global de troca térmica [BTU/h.ft².°F]: 40,0771Fator de incrustação: 0,0224Perda de carga [PSI]: 3,9841

5.2 DISCUSSÕES

Com base nos resultados obtidos na tabela 5.1, é necessário comparar com algum trocador de calor conhecido.

A vazão mássica do fluído frio é maior do que a vazão mássica do fluído a ser resfriado (usual).

É necessário conhecer as características dos fluídos e comparar com os resultados encontrados nos cálculos.

A perda de carga encontrada é baixa (considerando a maioria dos trocadores de calor), é necessário conferir os fatores de troca térmica.

O número de tubos encontrado no projeto é relativamente compatível com o utilizado nas indústrias.

A área de troca térmica é compatível com utilizado.

6. CONCLUSÕES

Diante dos resultados obtidos na tabela 5.1 e no memorial de cálculos, conclui-

se que o trocador de calor calculado está corretamente dimensionado para a

aplicação.

A vazão mássica do fluído frio (água) foi encontrada e sua respectiva perda de

carga para dimensionamento da bomba.

O fator de incrustação encontrado (cálculo) é aceitável para o projeto e as

dimensões utilizadas no trocador de calor são compatíveis com a utilizada nas

indústrias.15

Page 16: Projeto Trocador de Calor

7. BIBLIOGRAFIA

Incropera, F.P., Dewitt, D.P., 1998, Fundamentos de transferência de calor e

massa. LTC Editora, 4º edição, Rio de Janeiro, SP.

Kern, D.Q., 1958, Mathematical development of tube loading in horizontal

condensers, J. Am. Chem., 4:157 – 160.

Moran, M. J., Shapiro, H. N., 2004, Fundamentals of engineering

thermodynamics. 5º Ed., John Wiley e Sons, U.S.A.

Perry´s Chemical Engineers Handbook., Robert H. Perry, Don W. Green., 1999,

Mc Graw Hill

Everaldo César da Costa Araújo., Trocadores de calor, Universidade Federal de

São Carlos, EdUFSCar.

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Page 17: Projeto Trocador de Calor

8. ANEXOS

8.1 COEFICIENTE GLOBAL DE PROJETO APROXIMADO

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Page 18: Projeto Trocador de Calor

8.2 FATORES DE ATRITO

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Page 19: Projeto Trocador de Calor

8.3 CURVA DE TRANSMISSÃO DE CALOR LADO CARCAÇA

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Page 20: Projeto Trocador de Calor

8.4 CURVA TRASMISSÃO DE CALOR PARA ÁGUA INTERIOR DO TUBO

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Page 21: Projeto Trocador de Calor

8.5 CURVA TRANSMISSÃO DE CALOR PARA INTERIOR DO TUBO

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Page 22: Projeto Trocador de Calor

8.6 FATORES DE INCRUSTAÇÃO

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Page 23: Projeto Trocador de Calor

8.7 ANEXO A – DESENHO DO TROCADOR DE CALOR

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Page 24: Projeto Trocador de Calor

8.8 ANEXO B – MEMORIAL DE CÁLCULO

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