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MINISTRIO DA DEFESA
DEPARTAMENTO DE CINCIA E TECNOLOGIA
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
(REAL ACADEMIA DE ARTILHARIA, FORTIFICAO E DESENHO 1792)
ADAPTAO DE PROJETO DE RESFRIADOR DE METANOL
PROFESSOR: CEL GABRIEL ELMOR FILHO
10404 Bruno Mesquita Mello de Mendona
11026 Joo Lus do Nascimento Mossri
11040 Matheus Leo Pereira
11431 Matheus Monteiro Barros
12114 Thales Maurcio Sampaio
RIO DE JANEIRO
JUNHO DE 2014
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SUMRIO
1. Dados do projeto do resfriador de
metanol.......................................................................3
2. Projeto
preliminar...............................................................................................................3
3. Projeto detalhado adaptado para a queda de presso nos tubos e
nos cascos estar dentro das
especificaes...........................................................................................................................5
4. Anlise global dos resultados da
simulao..................................................................................12
5.Referncias
bibliogrficas...........................................................................................................14
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1. Dados do projeto do resfriador de metanol
1.1 Especificaes do processo
Vazo mssica de metanol: ;
Temperatura de entrada: ;
Temperatura de sada: ;
Diferencial de presso disponvel: ;
1.2 Fluido de servio disponvel
gua de resfriamento: ;
Restries de uso:
- Temperatura mxima de sada: ;
- ;
1.3 Informaes adicionais
Utilizar tubos de cobre-nquel de ;
Comprimento dos tubos:
Propriedades termofsicas constantes:
Propriedades Metanol gua
( 3 ) 750 995
(kg/m.s) 0,34 x 10-4 0,8 x 10-3
cp (J/kgoC) 2840 4200
k (W/moC) 0,19 0,59
Pr 5,1 5,7
Resistncias unitrias de depsito:
- Corrente de metanol:
- Corrente de gua:
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1.4 Carga trmica requerida
A partir dos das condies impostas ao metanol, calcula-se a
energia
trmica mnima requerida ( ), conforme abaixo:
( )
2. Projeto preliminar
Balano Trmico:
( )
Avaliao do Perfil de Temperatura:
A Configurao contra-corrente, de modo a no haver problemas de
interseo de
temperatura. Desse modo, temos que:
Caso 1) :
;
Caso 2) ( ) e base de referncia o metanol:
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Figura 1: Fator de correo para um trocador de calor casco e
tubos com um passe no casco e
qualquer mltiplo nmero par de passes nos tubos.
De posse dos valores de e e da figura 1, obtm-se:
Diferencial de temperatura efetivo preliminar:
( )
( )
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Coeficiente global preliminar:
- Da tabela II.1, temos que:
( )
Estimativa da rea preliminar:
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3. Projeto detalhado adaptado para a queda de presso nos tubos e
nos cascos estar
dentro das especificaes
3.1. Montagem do Trocador Tentativa
Tubos
-Segundo recomendaes para trocadores classe B (uso em indstrias
de
processos qumicos), temos que os dimetros nominais mais
empregados so e
. Como a rea de transferncia de calor deve ser aumentada para
diminuir a perda de
cada, adotou-se como critrio para adaptao do projeto do trocador
a mudana de de
para .
;
;
- Segundo restrio de projeto: ;
Posicionamento dos fluidos
-gua de resfriamento por dentro dos tubos;
Definio do nmero de tubos ( )
Verificao da velocidade de escoamento nos tubos
-Se :
(
)
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Como a velocidade encontra-se abaixo da faixa tima
especificada
( ), temos que h necessidade de mltiplas passagens nos
tubos.
- Da proposio de um trocador de casco-tubos com um nmero de
passes nos tubos
razovel ( ), temos , conforme abaixo:
Da expresso para o clculo da velocidade da gua nos tubos,
obtm-se:
A velocidade ainda baixa, mas situa-se prxima das
especificaes.
Definio do dimetro interno do casco
- Decises pendentes:
Arranjo matriz tubular: triangular ( );
Passo dos tubos:
O clculo do dimetro interno do casco pode ser feito por dois
procedimentos
alternativos, conforme apresentados a seguir:
1) (
)
Onde:
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Arranjo triangular
Folga matriz tubular-casco para cabeote traseiro tipo S (figura
III.8)
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Verificao dos resultados parciais
Velocidade no interior dos tubos: a definio de um novo nmero
total de tubos
implica mudana na velocidade mdia de escoamento da gua nos
tubos. A
nova velocidade :
Velocidade OK (prxima das especificaes);
Relao :
.
Definio de folgas importantes (figura III.7)
Folga diametral chicana-casco:
Folga diametral tubo-chicana:
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Definio das Chicanas
Espaamento:
Espaamento diferenciado:
Corte: 25%
Simulao Trmica do Trocador Tentativa
A simulao feita com a suposio da validade das propriedades dos
fluidos
presentes em 1.1 (Especificaes do processo), das resistncias
unitrias de depsito
presentes em 1.3 (Informaes adicionais) e do valor de
determinada no Projeto
preliminar. A nova rea de transferncia de calor calculada,
conforme abaixo:
Obs.: O projeto realizado com a hiptese de propriedades
termofsicas
constantes, no sendo necessria a determinao de temperaturas de
referncia para os
fluidos, visando a estimativa destas propriedades.
Determinao do coeficiente de transferncia de calor no lado dos
tubos ( )
Com a escolha da equao de Sieder & Tate para clculo de ,
temos que:
3 ( )
Como
, obtm-se:
( )
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Determinao do coeficiente de transferncia de calor no lado do
casco ( ) com o uso
do mtodo Bell-Delaware:
Clculos Geomtricos Preliminares:
(
)[ ( ( )) ( )]
Acerto no espaamento para obteno de inteiro:
Para
[ ( )
]
[
]
Como , pode-se considerar . Logo:
*
+
( )
(
)
-
13
(
)
[
(
) (
)]
( )
( )
Determinao do nmero de Reynolds (lado do casco)
Determinao do coeficiente de transferncia de calor para o
escoamento cruzado
ideal
Arranjo
Logo, da figura III.10, .
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(
)(
) 3
(
)
( )
Determinao dos Fatores de Correo do
Fator : (figura III.13)
Logo, (dentro da faixa usual de 0,52 a 1,15).
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15
Fator :( figura III.14)
Logo, (dentro da faixa usual de 0,7 a 0,8)
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Fator : (figura III.15)
de pares de tiras de selagem:
Utilizando-se , temos que:
Logo, (dentro das faixa usual de 0,7 a 0,9)
Fator :
Logo,
Fator :
Como , temos que .
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Verificao do produtrio dos :
Clculo do coeficiente de transferncia de calor ( ):
( )
Determinao do Coeficiente Global
( )
( )
Determinao da Temperatura de Sada (Mtodo NTU)
( )
Metanol:
gua:
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19
Da figura II.7b, .
Logo,
Balano Trmico:
Carga Trmica:
Avaliao dos Resultados da Simulao Trmica:
Como do projeto, os resultados so satisfatrios.
Simulao fluidodinmica do Trocador Tentativa
Queda de presso no escoamento da gua (lado tubos)
Logo, (figura III.3)
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Queda de presso no escoamento do metanol (casco)
(
) ( )
Determinao da Queda de Presso no Escoamento Cruzado Ideal (
):
(
)
(
)
Arranjo
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Da figura III.11, .
Determinao da Queda de Presso na Janela, Escoamento Ideal (
):
( )
Determinao do Fator :
Logo, (figura III.19).
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Determinao do Fator :
Logo, (figura III.20)
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Determinao do Fator :
Como , obtm-se
Clculo do
(
) ( )
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4. Anlise global dos resultados da simulao
Anlises anlogas foram realizadas para os outros dimetros
nominais (
) e
para com a considerao do uso de trocador de calor CT-16. Os
seguintes resultados
foram obtidos:
; CT-14
Requerido Desenvolvido Situao
Carga Trmica (W) OK
P nos tubos (kPa) OK
P no casco (kPa) OK
; CT-16
Requerido Desenvolvido
Situao
Carga Trmica (W) OK
P nos tubos (kPa) REPROVADO
P no casco (kPa) OK
; CT-14
Requerido Desenvolvido Situao
Carga Trmica (W) REPROVADO
P nos tubos (kPa) -
P no casco (kPa) -
; CT-14
Requerido Desenvolvido Situao
Carga Trmica (W) REPROVADO
P nos tubos (kPa) -
P no casco (kPa) -
-
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; CT-14
Requerido Desenvolvido Situao
Carga Trmica (W) REPROVADO
P nos tubos (kPa) - -
P no casco (kPa) - -
Atravs da tabela acima, observa-se que todas as restries do
projeto so obedecidas
somente para . Desse modo, a mudana inicial do dimetro dos tubos
para foi eficaz
para eliminar as limitaes do projeto inicial.
5. Referncias bibliogrficas
[1] INCROPERA, P.F.; de WITT, D. P. Fundamentos de transferncia
de
calor e massa. 4ed. Rio de Janeiro: LTC, 1998.
