Roteiro TC Placas

DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA QUÍMICA

LABORATÓRIO DE EQ III

Roteiro do Experimento Trocador de Calor de Placas

1. OBJETIVO GERAL

Determinar o coeficiente global de troca térmica em um trocador de calor de placas

e a transição do regime de escoamento de laminar para turbulento.

2. TEORIA

O processo de troca de calor entre dois fluidos a diferentes temperaturas, separados

por uma parede sólida possui extensa aplicação na engenharia. O equipamento

empregado para tal processo é denominado trocador de calor.

Trocadores de calor são classificados quanto ao tipo do escoamento e sua

construção. O mais simples dentre estes equipamentos é aquele onde dois fluidos, um

quente e outro frio, escoam em direções opostas ou não, em um tubo concêntrico. No

arranjo em paralelo, os fluidos, quente e frio entram e saem pelo mesmo lado e escoam na

mesma direção. Enquanto que no arranjo em contracorrente, eles entram, escoam e saem

em direções opostas, como mostra o esquema na Figura 1.

Figura 1: Tipos de escoamento em um trocador de calor: (a) paralelo (b) contracorrente

Os principais tipos de trocadores de calor: o casco tubo, tubos concêntricos e de

placas. Este experimento será realizado em um trocador de placas da Alfa Laval modelo

CB26-54H.

Este tipo de trocador é composto de placas corrugadas, onde o fluido quente escoa

em uma direção em câmaras alternadas, enquanto que o fluido frio em contracorrente nas

outras câmaras. Um diagrama esquemático desse trocador encontra-se na Figura 2. Os

fluidos são direcionados para suas respectivas câmaras utilizando-se uma gaxeta ou uma

solda. O trocador de placas é usado quase que exclusivamente para transferência de calor

entre líquidos, embora atualmente este venha sendo utilizado em aplicações onde ocorre

mudança de fase (condensação e vaporização).




Figura 2: Diagrama de um trocador de placas em contracorrente

A determinação do coeficiente global de troca térmica é um dos principais pontos

na análise de um trocador. Este coeficiente é definido como a resistência térmica total entre

os dois fluidos, e é determinado considerando a resistência de ambos os fluidos à condução

e à convecção.

Trocadores de calor de placas possuem coeficiente global de transferência que

chegam a ser de 3 a 5 vezes maiores que os de trocadores casco e tubo projetados para o

mesmo fim, o que resulta em uma área de troca bem menor para uma mesma aplicação.

Estes valores altos para o U se devem à indução de fluxo turbulento entre as placas o que

também contribui para reduzir problemas relacionados à incrustação.

Como a resistência à transferência de calor, dada pelo inverso do coeficiente global,

é a soma das resistências individuais à transferência de calor, o coeficiente global de

transferência pode ser obtido por:

placafq k

x

hhU

111

O termo

placak

x representa a resistência do material ao processo de transferência de

calor por condução, sendo x a espessura da placa e placak a condutividade térmica do

material da placa e qh e fh são os coeficientes convectivos de transferência de calor dos

fluido quente e frio, respectivamente.

Entrada fluido frio

Entrada fluido

quente

Parede

externa

Saída fluido frio

Saída fluido

quente

Placa

s




O coeficiente de transferência de calor convectivo pode ser calculado utilizando

números adimensionais como na seguinte correlação:

k

hDaNu cb PrRe

O valor do parâmetro c pode ser considerado igual a 0,4. Os valores do parâmetro b

dependem do tipo de regime de escoamento. A região de transição em trocadores de

placas lisas normalmente é maior que em trocadores de placas corrugadas. Os parâmetros

a e dependem do tipo do escoamento, laminar ou turbulento.

3. EQUIPAMENTOS E MATERIAIS

Trocador de calor de placas confeccionado em aço inoxidável, com medidores de

temperatura na entrada e saída dos fluidos quente e frio.

Tanque pulmão com resistência elétrica para armazenamento de água quente.

Bomba para circulação do fluido quente.

Medidores de vazão.

Painel de aquisição de dados.

Tubulações, válvulas e mangueiras.

4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Para se determinar essas constantes a e b variam-se as vazões das correntes fria e

quente, anotando também as temperaturas de entrada e saída de cada uma delas,

quando o sistema estiver operando em regime permanente. Com a vazão das correntes

serão obtidas as velocidades das mesmas e consequentemente os valores do número de

Reynolds e de Prandtl.

5. CÁLCULOS

O grupo deverá definir uma aplicação industrial de troca térmica, contextualizada

em um determinado processo químico, a qual utilizará água como fluido frio, devendo

definir as condições de operação de cada corrente e a partir daí, utilizando os valores

obtidos para os parâmetros a e b, dimensionar um trocador de calor de placas que irá

realizar a aplicação definida.

Ainda, no relatório referente à prática realizada deverão constar:

descrição detalhada dos equipamentos (modelo, fabricante, faixa de medida,

incertezas) utilizados;




um esquema da montagem experimental com identificação das partes componentes e

uma legenda;

análise crítica do experimento, com sugestões de possíveis melhorias e principalmente

uma análise de todas as fontes de erros experimentais que o grupo julgar importantes e

significativas, com uma projeção das variáveis que mais influenciam nos cálculos das

grandezas desejadas;

determinação do coeficiente global de transferência de calor, os parâmetros a e b para

cálculo do Nu e a quantidade de calor trocada.

análise e discussão dos resultados obtidos e também comentários sobre a influência da

vazão de escoamento dos fluidos quente e frio;

comparação entre os dados experimentais obtidos e dados da literatura, discutindo as

causas de possíveis diferenças encontradas entre eles;

sugestões para próximos trabalhos.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Kern, D., “Processos de Transferência de Calor”, McGraw Hill, 1999.

Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. 7ª ed. McGraw-Hill Book Company, New York, 1999).

Coulson, Richardson. Chemical Engineering. vol. 6. 3ª ed. Butterworth Heinemann. Oxford,

2003

Incropera, F.P.; Dewitt, D.P.; “Transferência de calor e de massa”; 5a. ed, Rio de Janeiro:

Editora LTC, 2003.

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