Lab2 - Experimento 4

8/19/2019 Lab2 - Experimento 4

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CENTRO UNIVERSITARIO DAS FACULDADES ASSOCIADAS DE ENSINO-FAE

LABORATORIO DE ENGENHARIA QUÍMICA II

Trocador de calor de placas

8º Semestre de Engenharia Química

São João da Boa Vista- SP

2015

CENTRO UNIVERSITARIO DAS FACULDADES ASSOCIADAS DE ENSINO-FAE


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LABORATORIO DE ENGENHARIA QUÍMICA I

Bianca vieira RA: 18155 - 2

Larissa Medeiros Baptistella RA: 18176-8

Maria de Lourdes Ferreira RA: 18181-8

Maria Julia Franzoni RA:18064 - 6

Patrícia Diogo de Carvalho RA: 18521-5

Experimento realizado em laboratório a fim de

determinar o funcionamento do trocador de calor

de placas. Com a orientação da Professora Dra.Maria Mônica Gonçalves.

São João da Boa Vista

2015


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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO TEÓRICA.........................................................................................4

2. OBJETIVO ............................................................................................................... 10

3. EQUIPAMENTOS E MATERIAIS .......................................................................... 11

4. METODOLOGIA ..................................................................................................... 12

5. EXPRESSÃO DOS RESULTADOS, ......................................................................... 13

6. RESULTADOS ......................................................................................................... 15

7. CONCLUSÃO........................................................................................................... 19

8. REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 20


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1.

INTRODUÇÃO TEÓRICA

Trocador de calor é o dispositivo usado para realizar o processo da troca térmica entre

dois fluidos em diferentes temperaturas. Este processo é comum em muitas aplicações da

Engenharia tais como: refrigeração e condicionamento de ar. Podemos utilizá- los no

aquecimento e resfriamento de ambientes, no condicionamento de ar, na produção de

energia, na recuperação de calor e no processo químico, produção automotiva, produção

de offshore de óleo e gás, produção de aço e outros metais, mineração, etc. Em virtude

das muitas aplicações importantes, a pesquisa e o desenvolvimento dos trocadores de

calor têm uma longa história, mas ainda hoje se busca aperfeiçoar o projeto e o

desempenho de trocadores baseados na crescente preocupação pela conservação de

energia.

O dimensionamento e especificação de um trocador de calor para executar com eficiênc ia

e economia em um serviço específico é um pouco mais complicada do que se pensa

normalmente. Muitas variáveis - pressão de projeto, vazão, queda de pressão, velocidade

no bocal e compatibilidade, entre outras - devem ser consideradas antes de se selecionarum modelo para o trabalho específico.

Podemos classificar os trocadores de diversas maneiras: quanto ao modo de troca de calor,

quanto ao número de fluidos, tipo de construção, etc.

Trocadores de calor de contato indireto

Em um trocador de calor de contato indireto, os fluidos permanecem separados e o calor

é transferido continuamente através de uma parede, pela qual se realiza a transferência de

calor. Os trocadores de contato indireto classificam-se em: trocadores de transferênc ia

direta e de armazenamento.

Tipo de trocadores de transferência direta

Neste tipo, há um fluxo contínuo de calor do fluido quente ao frio através de uma parede

que os separa. Não há mistura entre eles, pois cada corrente permanece em passagens

separadas. Este trocador é designado como um trocador de calor de recuperação, ousimplesmente como um recuperador. Alguns exemplos de trocadores de transferênc ia


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direta são trocadores de: placa, tubular, e de superfície estendida. Recuperadores

constituem uma vasta maioria de todos os trocadores de calor.

F igura 1 - Trocador de calor de transferênci a di reta.

Trocadores de armazenamento

Em um trocador de armazenamento, os ambos fluidos percorrem alternativamente as

mesmas passagens de troca de calor. A superfície de transferência de calor geralmente é

de uma estrutura chamada matriz. Em caso de aquecimento, o fluido quente atravessa a

superfície de transferência de calor e a energia térmica é armazenada na matriz.Posteriormente, quando o fluido frio passa pelas mesmas passagens, a matriz “libera” a

energia térmica (em refrigeração o caso é inverso). Este trocador também é chamado

regenerador.

F igura 2 - Trocador de calor de armazenamento.


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Trocadores de calor de contato direto

Neste trocador, os dois fluidos se misturam. Aplicações comuns de um trocador de

contato direto envolvem transferência de massa além de transferência de calor; aplicações

que envolvem só transferência de calor são raras. Comparado os recuperadores de contatoindireto e regeneradores, são alcançadas taxas de transferência de calor muito altas. Sua

construção é relativamente barata. As aplicações são limitadas aos casos onde um contato

direto de dois fluxos fluidos é permissível.

F igura 3 - Trocadores de calor de contato direto.

Trocadores tubulares

São geralmente construídos com tubos circulares, existindo uma variação de acordo com

o fabricante. São usados para aplicações de transferência de calor líquido/líquido (uma

ou duas fases). Eles trabalham de maneira ótima em aplicações de transferência de calor

gás/gás, principalmente quando pressões e/ou temperaturas operacionais são muito altas

onde nenhum outro tipo de trocador pode operar. Estes trocadores podem ser classificados

como carcaça e tubo, tubo duplo e de espiral.

Trocadores de carcaça e tubo

Este trocador é construído com tubos e uma carcaça. Um dos fluidos passa por dentro dos

tubos, e o outro pelo espaço entre a carcaça e os tubos. Existe uma variedade de

construções diferentes destes trocadores dependendo da transferência de calor desejada,do desempenho, da queda de pressão e dos métodos usados para reduzir tensões térmicas,


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prevenir vazamentos, facilidade de limpeza, para conter pressões operacionais e

temperaturas altas, controlar corrosão, etc. Trocadores de carcaça e tubo são os mais

usados para quaisquer capacidades e condições operacionais, tais como pressões e

temperaturas altas, atmosferas altamente corrosivas, fluidos muito viscosos, misturas de

multicomponentes, etc. Estes são trocadores muito versáteis, feitos de uma variedade de

materiais e tamanhos e são extensivamente usados em processos industriais.

F igura 4 - Trocadores de calor carcaça e tubo.

Trocador tubo duplo

O trocador de tubo duplo consiste de dois tubos concêntricos. Um dos fluidos escoa pelo

tubo interno e o outro pela parte anular entre tubos, em uma direção de contra fluxo. Este

é talvez o mais simples de todos os tipos de trocador de calor pela fácil manutenção

envolvida. É geralmente usado em aplicações de pequenas capacidades.

Trocador de calor em serpentina

Este tipo de trocador consiste em uma ou mais serpentinas (de tubos circulares) ordenadas

em uma carcaça. A transferência de calor associada a um tubo espiral é mais alta que para

um tubo duplo. Além disto, uma grande superfície pode ser acomodada em um

determinado espaço utilizando as serpentinas. As expansões térmicas não são nenhum

problema, mas a limpeza é muito problemática.


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Figura 5 - Trocador de calor de serpentina.

Trocadores de calor tipo placa

Este tipo de trocador normalmente é construído com placas planas lisas ou com alguma

forma de ondulações. Geralmente, este trocador não pode suportar pressões muito altas,

comparado ao trocador tubular equivalente.

Coeficiente global de troca de calor

Coeficiente Global de Troca de Calor, U, é uma maneira de sistematizar as diferentes

resistências térmicas equivalentes existentes num processo de troca de calor entre duas

correntes de fluido, por exemplo. A partir da lei do resfriamento de Newton:

= × × ( − ∞)

Figura 6 - Trocadores de calor tipo placa.


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Envolve a temperatura da superfície exposta a uma das correntes de fluido,

Figura 7 - Representação das resis tências em uma superfície.

Dando origem ao circuito térmico equivalente:

Figura 8 - Esquema de resistência em sé rie.

Onde Tb indica a temperatura média de mistura de cada um dos fluidos. Neste ponto,

consideramos que Tb de cada fluido permanecia constante, o que é equivalente a

considerarmos fluidos com capacidade térmica (o produto da massa ou do fluxo de massa

pelo calor específico) infinita.


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2.

OBJETIVO

O objetivo do experimento está em compreender o funcionamento de um trocador de

calor, comparar os resultados obtidos usando fluxo contracorrente e paralelo.


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3.

EQUIPAMENTOS E MATERIAIS

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

temperatura;

Tanque pulmão com resistência elétrica para armazenamento de água quente; Bombas para circulação dos fluidos quentes e frios;

Medidores de vazão (rotâmetro magnético) e de pressão;

Painel de aquisição de dados, acoplado a um microcomputador;

Tubulação, válvulas e mangueiras;

Torre de resfriamento para o fluido frio.


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4.

METODOLOGIA

O experimento foi feito em laboratório e teve a função de definir as constantes para o

coeficiente de transferência de calor. Essas constantes são importantes para o

dimensionamento de um trocador de calor industrial para uma aplicação específica.

Para a determinação dessas correntes utilizou-se diferentes vazões das correntes fria e

quente, anotou-se as temperaturas de entrada e saída de cada uma delas. Com as vazões

das correntes foram obtidas as velocidades e os valores dos números de Reynolds e de

Prandtl.


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5.

EXPRESSÃO DOS RESULTADOS,

Os cálculos foram obtidos por meio da aplicação das fórmulas apresentadas a seguir:

Para encontrar ΔT, foram utilizadas as seguintes equações:

ΔT1= Tq,i – Tf,i ΔT2= Tq,0 – Tf,0 Fluxo em paralelo

ΔT1= Tq,i – Tf,0 ΔT2= Tq,0 – Tf,i Fluxo em contracorrente

Tq,i = Temperatura de entrada quente; Tf,i = Temperatura de entrada fria;

Tq,0 = Temperatura de saída quente; Tf,0 = Temperatura de saída frio.

Para o cálculo da temperatura média logarítmica, usou-se:

∆ = ∆1− ∆2 ∆1∆2

= ∆2− ∆1 ∆2∆1

Para o cálculo da troca térmica “q”, usou-se:

= × × ( , − , ) = × × ( , − , )

Sendo Cp = 1 Cal/g°C

Como mq é a vazão mássica, temos:

= ×

= × = ×

Logo : = × (, – , )

Onde : Cmin = capacidade calorífica mínima entre liquido quente e frio.

A taxa de troca térmica real pode ser calculada por:

= × (, –,)


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q = taxa de troca térmica; C = capacidade calorífica quente

Para o cálculo de U (coeficiente global de troca térmica), foi usada a seguinte

equação:

= × × ∆ ou

= × ∆

Cálculo da área:

A = b × a = 100 × 230 = 23000 mm2 ou 23 m2 e A = 23 × 30 (placas) = 690 m2

Efetividade do trocador (em %):

=


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6.

RESULTADOS

Os valores obtidos no laboratório estão representados na tabela 1 (fluxo paralelo) e na

tabela 2 (fluxo contra-corrente).

Tabela 1 – Resultados – Fluxo paralelo

Tabela 2 - Resultados - Fluxo contra-corrente.

Vazão Fluido

Frio [ml/s]

Vazão Fluido

Quente [ml/s]T1°C T2°C T3°C T4°C

40 40 43,2 53,0 40,1 28,7

40 80 38,9 53,1 36,0 28,4

40 120 37,6 53,1 34,5 28,3

80 40 46,0 53,1 43,0 28,3

80 80 43,1 53,1 39,6 28,3

80 120 41,1 53,0 37,0 28,4

120 40 48,0 52,7 44,3 28,5

120 80 44,9 52,7 41,3 28,2

120 120 43,2 52,8 40,0 28,1

FLUXO PARALELO

Vazão Fluido

Frio [ml/s]

Vazão Fluido

Quente [ml/s] T1°C T2°C T3°C T4°C

40 40 49,1 36,8 29,5 41,8

40 60 49,2 35,4 29,5 40,8

40 80 49,5 32,7 29,5 38,4

40 100 49,5 32,7 29,7 37,3

40 120 49,4 32,7 29,7 36,4

60 40 49,3 40,6 29,9 43,8

60 60 49,4 38,7 29,6 42,1

60 80 49,5 39,2 29,5 39,4

60 100 49,4 35,1 29,7 37,8

60 120 49,3 34,5 29,8 37,8

80 40 49,1 41,1 29,9 43,7

80 60 49,3 40 29,8 43,2

80 80 49,3 38,2 29,7 40,7

80 100 49,1 30,7 29,8 39,5

80 120 49,1 39,1 29,8 38,8

100 40 48,9 42,7 29,8 44,4

100 60 49 41 29,8 43,4

100 80 48,8 39,2 29,1 41,9

100 100 48,8 38,2 29,5 40,6

100 120 48,6 37,3 29,6 39,7

FLUXO CONTRA-CORRENTE


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Nota-se que para ambos os experimentos que a vazão de fluído frio foi mantida como

referência, já que manteve-se constante.

As tabelas abaixo apresentam os resultados dos cálculos das diferenças de temperaturas

medidas na entrada e saída do trocador de calor, considerando o fluido quente e frio, paraum sistema em paralelo (tabela 3) e contra-corrente (tabela 4).

Tabela 3 - Resultados - Fluxo paralelo

Tabela 4 - Resultados - Fluxo contra-corrente

Vazão Fluido

Frio [ml/s]

Vazão Fluido

Quente

[ml/s]

Temperatura de

Saída do Quente °C

Temperatura de

Entrada do Quente

°C

Temperatura de

Saída do Frio °C

Temperatura de

Entrada do Frio °C∆ T1 ∆ T2 ∆ T lm

40 40 53,0 43,2 40,1 28,7 14,5 12,9 13,7

40 80 53,1 38,9 36,0 28,4 10,5 17,1 13,5

40 120 53,1 37,6 34,5 28,3 9,3 18,6 13,4

80 40 53,1 46,0 43,0 28,3 17,7 10,1 13,5

80 80 53,1 43,1 39,6 28,3 14,8 13,5 14,180 120 53,0 41,1 37,0 28,4 12,7 16,0 14,3

120 40 52,7 48,0 44,3 28,5 19,5 8,4 13,2

120 80 52,7 44,9 41,3 28,2 16,7 11,4 13,9

120 120 52,8 43,2 40,0 28,1 15,1 12,8 13,9

FLUXO PARALELO

Vazão Fluido

Frio [ml/s]

Vazão Fluido

Quente[ml/s]

Temperatura de

Saída do Quente °C

Temperatura de

Entrada do Quente°C

Temperatura de

Saída do Frio °C

Temperatura de

Entrada do Frio °C ∆ T1 ∆ T2 ∆ T lm

40 40 36,8 49,1 41,8 29,5 7,3 7,3 7,1

40 60 35,4 49,2 40,8 29,5 8,4 5,9 7,1

40 80 32,7 49,5 38,4 29,5 11,1 3,2 6,4

40 100 32,7 49,5 37,3 29,7 12,2 3,0 6,6

40 120 32,7 49,4 36,4 29,7 13,0 3,0 6,8

60 40 40,6 49,3 43,8 29,9 5,5 10,7 7,8

60 60 38,7 49,4 42,1 29,6 7,3 9,1 8,2

60 80 39,2 49,5 39,4 29,5 10,1 9,7 9,9

60 100 35,1 49,4 37,8 29,7 11,6 5,4 8,1

60 120 34,5 49,3 37,8 29,8 11,5 4,7 7,6

80 40 41,1 49,1 43,7 29,9 5,4 11,2 8,0

80 60 40,0 49,3 43,2 29,8 6,1 10,2 8,0

80 80 38,2 49,3 40,7 29,7 8,6 8,5 8,5

80 100 30,7 49,1 39,5 29,8 9,6 0,9 3,7

80 120 39,1 49,1 38,8 29,8 10,3 9,3 9,8

100 40 42,7 48,9 44,4 29,8 4,5 12,9 8,0

100 60 41,0 49,0 43,4 29,8 5,6 11,2 8,1

100 80 39,2 48,8 41,9 29,1 6,9 10,1 8,4

100 100 38,2 48,8 40,6 29,5 8,2 8,7 8,4

100 120 37,3 48,6 39,7 29,6 8,9 7,7 8,3



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Também foi calculado os coeficientes globais de transferência de calor (U) e a eficiência dos

trocadores de calor para ambos os fluxos (tabelas 5 e 6).


Tabela 6 - Resultados - Fluxo contra-corrente.

mq mf Cf Cq qMáx qReal ϵ % U

40 40 40 40 580,0 -392,0 -67,6 -41,5

80 40 40 80 420,0 -568,0 -135,2 -60,8

120 40 40 120 372,0 -620,0 -166,7 -67,0

40 80 80 40 1416,0 -568,0 -40,1 -60,8

80 80 80 80 1184,0 -800,0 -67,6 -82,0

120 80 80 120 1524,0 -952,0 -62,5 -96,6

40 120 120 40 2340,0 -564,0 -24,1 -62,080 120 120 80 1336,0 -936,0 -70,1 -97,7

120 120 120 120 1812,0 -1152,0 -63,6 -120,0

FLUXO PARALELO

mq mf Cf Cq qMáx qReal ϵ % U

40 40 40 40 784,0 492,0 62,8 100,3

60 40 40 60 788,0 552,0 70,1 113,0

80 40 40 80 800,0 672,0 84,0 153,3

100 40 40 100 792,0 672,0 84,8 148,5

120 40 40 120 788,0 668,0 84,8 142,0

40 60 60 40 1164,0 522,0 44,8 96,8

60 60 60 60 1188,0 642,0 54,0 113,9

80 60 60 80 1200,0 618,0 51,5 90,5

100 60 60 100 1182,0 858,0 72,6 153,4

120 60 60 120 2340,0 888,0 37,9 169,3

40 80 80 40 1536,0 640,0 41,7 116,7

60 80 80 60 1560,0 744,0 47,7 135,2

80 80 80 80 1568,0 888,0 56,6 150,5

100 80 80 100 1930,0 1472,0 76,3 580,4

120 80 80 120 2316,0 800,0 34,5 118,4

40 100 100 40 764,0 620,0 81,2 112,7

60 100 100 60 1152,0 800,0 69,4 143,5

80 100 100 80 1576,0 960,0 60,9 165,7

100 100 100 100 1930,0 1060,0 54,9 181,9

120 100 100 120 2280,0 1130,0 49,6 197,7



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Por fim, foram calculados as velocidades e o número de Reynolds. (Ver tabela 7 e 8)


Tabela 8 - Resultados - Fluxo contra corrente

Vazão Quente

(ml/s)

Vazão Frio

(ml/s)

Velocidade

quente (m/s)

Velocidade

frio (m/s)

Reynolds

quente Reynolds frio

40 40 4,63E-05 4,63E-05 1,84E-01 1,30E-01

40 80 4,63E-05 9,26E-05 1,84E-01 2,59E-01

40 120 4,63E-05 1,39E-04 1,84E-01 3,89E-01

80 40 9,26E-05 4,63E-05 3,68E-01 1,30E-01

80 80 9,26E-05 9,26E-05 3,68E-01 2,59E-01

80 120 9,26E-05 1,39E-04 3,68E-01 3,89E-01

120 40 1,39E-04 4,63E-05 5,53E-01 1,30E-01

120 80 1,39E-04 9,26E-05 5,53E-01 2,59E-01

120 120 1,39E-04 1,39E-04 5,53E-01 3,89E-01

FLUXO PARALELO

Vazão

Quente

(ml/s)

Vazão Frio

(ml/s)

Velocidade

quente

(m3/s)

Velocidade

frio (m3/s)Reynolds quente Reynolds frio

40 40 4,63E-05 4,63E-05 1,84E-01 1,30E-01

40 60 4,63E-05 6,94E-05 1,84E-01 1,94E-01

40 80 4,63E-05 9,26E-05 1,84E-01 2,59E-01

40 100 4,63E-05 1,16E-04 1,84E-01 3,24E-01

40 120 4,63E-05 1,39E-04 1,84E-01 3,89E-01

60 40 6,94E-05 4,63E-05 2,76E-01 1,30E-01

60 60 6,94E-05 6,94E-05 2,76E-01 1,94E-01

60 80 6,94E-05 9,26E-05 2,76E-01 2,59E-01

60 100 6,94E-05 1,16E-04 2,76E-01 3,24E-01

60 120 6,94E-05 1,39E-04 2,76E-01 3,89E-01

80 40 9,26E-05 4,63E-05 3,68E-01 1,30E-01

80 60 9,26E-05 6,94E-05 3,68E-01 1,94E-01

80 80 9,26E-05 9,26E-05 3,68E-01 2,59E-01

80 100 9,26E-05 1,16E-04 3,68E-01 3,24E-01

80 120 9,26E-05 1,39E-04 3,68E-01 3,89E-01

100 40 1,16E-04 4,63E-05 4,60E-01 1,30E-01

100 60 1,16E-04 6,94E-05 4,60E-01 1,94E-01

100 80 1,16E-04 9,26E-05 4,60E-01 2,59E-01

100 100 1,16E-04 1,16E-04 4,60E-01 3,24E-01

100 120 1,16E-04 1,39E-04 4,60E-01 3,89E-01



19/20

7.

CONCLUSÃO

Através da análise dos resultados é nítido que um sistema de troca de calor contra corrente

tem melhores resultados; confirmando o que vimos em prática.


20/20

8.

REFERÊNCIAS

http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_a/TrocadoresdeCalor.pdf - Acesso em:

20/11/2015 as 18:00h.

http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAH_gAG/trocadores-calor - Acesso em: 20/11/2015as 18:40 h.
http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_a/TrocadoresdeCalor.pdfhttp://www.ebah.com.br/content/ABAAAAH_gAG/trocadores-calorhttp://www.ebah.com.br/content/ABAAAAH_gAG/trocadores-calorhttp://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_a/TrocadoresdeCalor.pdf

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Lab2 - Experimento 4