Como calcular isso, exercício termodinâmica.

Professora Claudia S.

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Respondeu há 3 anos

Projeto de um Protótipo de Trocador de Calor Design of a Heat Exchanger Prototype Laira Martinelli (*1) ; Tamara Aimola Ronca Dale Vedove (*2) ; Andrea Borges Vieira Campos (*3) ; Jessica Miranda Rosa (*4); Nathalia Silvestrin Barbosa (*5) ; Rafael Caon Oliveira (*6) ; Raul Messias Felix (*7) ; Davi Leonardo de Souza (8) (*) Estudantes de Graduação em Engenharia Química da Universidade Federal do Triângulo Mineiro, Uberaba, Minas Gerais, Brasil. (8) Professor do Curso de Engenharia Química da Universidade Federal do Triângulo Mineiro, Uberaba, Minas Gerais, Brasil. E-mails: (1) laira_martinelli@hotmail.com (2) tamara_aimola@hotmail.com (3) andrea_borges@hotmail.com (4) jessicamirandarosa@hotmail.com (5) nathy_silvestrin@hotmail.com (6) rafael_caon@hotmail.com; (7) raul_m19@hotmail.com (8) davi.souza@uftm.edu.br RESUMO: O dispositivo usado para realizar o processo da troca térmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas é conhecido como trocador de calor na qual há a entrada e saída do fluido frio e do fluido quente. O trocador de calor mais frequentemente usado em processos industriais é o tipo casco e tubos. Esses equipamentos são amplamente utilizados no aquecimento, resfriamento, evaporação e condensação de fluidos. Trocadores deste tipo têm muitas aplicações nas indústrias de geração de energia, química, farmacêutica e óleo e gás. No presente trabalho é apresentada a metodologia de construção e a teoria utilizada para desenvolver um protótipo de um trocador de calor do tipo casco e tubos em conjunto com uma simulação computacional de uma rede de trocadores de calor. O trocador em questão proporciona uma troca de calor através de escoamento em contracorrente, com a entrada do fluído quente na região interna dos tubos de menor diâmetro e escoamento do fluído frio entre os tubos de cobre e a carcaça. São realizadas medidas de temperatura nas regiões de entrada e de saída que proporcionam uma estimativa da eficiência alcançada com o protótipo. Palavras-chave Casco e tubos. Protótipo. Trocadores de Calor. ABSTRACT: The device used to perform the heat exchange process between two fluids at different temperatures is known as a heat exchanger in which there is the inlet and outlet of the cold fluid and the hot fluid. The heat exchanger most often used in industrial processes is the hull type and pipes. Such equipment is widely used in heating, cooling, evaporation and condensation of fluids. Exchangers of this type have many applications in the power generation, chemical, pharmaceutical and oil and gas industries. This paper presents the construction methodology and the theory used to develop a prototype of a hull and tube type heat exchanger in conjunction with a computational simulation of a network of heat exchangers. The heat exchanger in question provides a countercurrent flow of heat through the flow of hot fluid into the inner region of the smaller diameter tubes and the flow of cold fluid between the copper tubes and the casing. Temperature measurements are performed in the input and output regions that provide an estimate of the efficiency achieved with the prototype. Keywords: Shell and tubes. Prototype. Heat exchangers. INTRODUÇÃO Trocadores de calor são dispositivos em que dois fluidos a diferentes temperaturas trocam calor através de uma superfície metálica, podendo ou não ocorrer mudança de fase dos fluidos, na qual ocorre uma transferência de calor por condução e convecção. Essa troca térmica é empregada para atender às exigências de um dado processo. Na indústria petrolífera, são utilizados para a quebra de emulsões entre o petróleo e água, resfriamento de gases advindos de um processo de compressão, condensação e aquecimento de mistura em uma torre de destilação (SANT’ANNA, 2005). Os trocadores podem ser classificados pelo tipo de serviço que realizam dentro de um processo cuja referência é o fluido principal. (ARAÚJO, 2002). De acordo com as características construtivas do trocador, ele, também, pode ser classificado como duplo tubo, casco e tubo, tampa flutuante e de tubos em U (ESSEL ELETROMECÂNICA, SD; REIS 2002). A escolha do fluido não possui regras préestabelecidas, uma vez que o trocador está projetado para receber determinados líquidos no tubo e no casco (REIS, 2002). A eficiência de um trocador está relacionada a higiene dos tubos, pois durante o processo operacional há deposição de diversos tipos de detritos e incrustação que, por sua vez, prejudicam as trocas de calor, bem como, queda na pressão do fluido (REIS, 2002). O ponto de partida para o projeto térmico de um trocador de calor está exatamente em se Artigo Revista Brasileira de Ciência, Tecnologia e Inovação (RBCTI), v.2, n.2, jul./dez. 2017, p. 109-124. ISSN: 2359-4748 110 determinar as condições de processo as quais estará submetido o trocador (ESSEL ELETROMECÂNICA, SD). Os trocadores de calor são designados por termos correspondentes às modificações que realizam nas condições de temperatura ou estado físico do fluido de processo. No caso de o equipamento operar com dois fluidos de processo, prevalece se possível, a designação correspondente ao serviço mais importante (GANGHIS, 2015). As temperaturas de operação dos fluidos são determinadas pelo projetista no qual se incumbe à responsabilidade da operação (ESSEL ELETROMECÂNICA, SD). No caso do fluido principal, as condições de vazão e temperaturas de entrada e saída são perfeitamente definidas pelo processo, todavia a condição de operação do fluido refrigerante depende de outros fatores. O exemplo da água, em que a temperatura de entrada depende da disponibilidade, seja proveniente de fontes naturais ou de torres de resfriamento (ESSEL ELETROMECÂNICA, SD). Em relação a temperatura de saída existe o problema de corrosão nos materiais utilizados nos trocadores ou a capacidade de instalação das torres de resfriamento que não permitem uma temperatura elevada na saída (ESSEL ELETROMECÂNICA, SD). Existem diversos tipos e configurações para realizar o arrefecimento de um fluido quente utilizando um trocador de calor. Um dos mais empregados, e que será abordado neste trabalho, é o do tipo casco e tubo, que consiste, resumidamente, de um casco cilíndrico (carcaça) que contém diversos tubos em seu interior. Dentro da carcaça existem também chicanas, além de barras guias. Os tubos internos são responsáveis pela condução do escoamento do fluido quente e por isso é fundamental que os mesmos sejam feitos de um material com elevada condutividade térmica. As chicanas, por sua vez, têm como função guiar os tubos internos e, também, de provocar um escoamento turbulento dentro da carcaça externa. A troca térmica é realizada através das paredes dos tubos. O presente trabalho tem por objetivo geral o estudo e o projeto de trocador de calor em série com fluxo contracorrente. Já o objetivo específico é a construção de um protótipo de trocador de calor do tipo casco e tubo que será utilizado no Laboratório da Universidade Federal do Triângulo Mineiro para as práticas da disciplina de Operações Unitárias. REVISÃO TEÓRICA Um trocador de calor ou permutador de calor é um dispositivo usado para transferência de calor eficiente de um meio para outro. Tem a finalidade de transferir calor de um fluido para o outro, encontrando-se estes a temperaturas diferentes. Os meios podem ser separados por uma parede sólida, tanto que eles nunca se misturam, ou podem estar em contato (INCROPERA, 2007). Este processo é comum em muitas aplicações da Engenharia. 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 (ALMEIDA, 2008). Em virtude das muitas aplicações importantes, a pesquisa e o desenvolvimento dos trocadores de calor têm uma longa história, mas ainda hoje busca-se aperfeiçoar o projeto e o desempenho de trocadores, baseada na crescente preocupação pela conservação de energia (GANGHIS, 2015). A criação de micro produtos leva à criação e desenvolvimento de máquinas em microescala. Há trocadores de calor que são utilizados em micro canais, micro reatores, etc. Com este equipamento em miniatura, os processos dispõem mais ainda de integração de sistemas, proporcionando benefícios, bons tempos de resposta e altas taxas de transferência de energia (SHAKIR et al., 2011). Existem várias aplicações referentes aos trocadores de calor de micro canais, como arrefecimento de microeletrônicos, processos que envolvem biomedicina, metrologia, robótica, telecomunicações e indústrias automotivas. Para melhor compreender o fluxo de calor através de micro canais, muitos estudos experimentais, analíticos e numéricos foram feitos nas últimas duas décadas (SHAKIR et al., 2011, YU; AMEEL 2001). Tipo de trocador de calor 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 Química, de Alimentos, entre outras. Abaixo algumas aplicações de trocadores de calor: Na indústria de alimentos O processamento de alimentos "in natura" requer a transferência de enormes quantidades de energia na forma de calor, portanto, é necessário que um estudo econômico e detalhado deste processo seja efetuado, para que seja evitado o gasto desnecessário de calor (ZAMBELLI, 2011). Na indústria de alimentos, o calor é usado para garantir o produto desejado de forma segura (microbiologicamente), com boa estocagem e estabilidade durante o armazenamento e de baixo custo. O Calor é aplicado ou removido para causar e controlar a cristalização, coagulação, para gelificar, emulsificar, solidificar, neutralizar, inativar enzimas, pasteurizar, esterilizar, caramelizar, evaporar, liquefazer e etc. (ZAMBELLI, 2011). A escolha dos meios de aquecimento ou resfriamento requer muito mais do que o conhecimento do consumo de vapor, da água de resfriamento ou dos gases usados em ciclos fechados. O conhecimento dos tipos de trocadores de calor e do processo específico torna-se indispensável para o balanço econômico, precisando então, conhecer as mudanças envolvidas, os equipamentos auxiliares da linha Revista Brasileira de Ciência, Tecnologia e Inovação (RBCTI), v.2, n.2, jul./dez. 2017, p. 109-124. ISSN: 2359-4748 111 (bombas e válvulas, por exemplo) e também a eficiência das operações (ZAMBELLI, 2011). O processo a ser escolhido deve depender da situação econômica, deve ser preferencialmente um sistema contínuo e evitar algumas condições técnicas: O superaquecimento ou superresfriamento localizado; taxa de transmissão de calor inadequada; pouca ou excessiva agitação do sistema; condições de trabalho variável e pressão muito alta ou muito baixa (ZAMBELLI, 2011). Em indústrias diversas A elaboração do açúcar a partir da cana-deaçúcar ou da beterraba é um processo industrial que demanda uma grande quantidade de energia. A otimização do processo depende do bom dimensionamento dos trocadores de calor (BARRIQUAND, 2016). Nos processos de química verde e biotecnologia, diferentes etapas requerem o uso de trocadores de calor para realizar as operações unitárias de aquecimento, resfriamento, condensação, evaporação e secagem (BARRIQUAND, 2016). Os trocadores de calor presentes nas lavanderias industriais são escolhidos, dimensionados e fabricados em função dos requisitos de limpeza e da ausência de peças de desgaste (BARRIQUAND, 2016). Quando a área da troca térmica é grande, o tipo de trocador recomendado é o de carcaça e tubo. Neste tipo de resfriador é possível conseguir elevadas áreas de troca térmica, de maneira econômica e prática, montando-se os tubos em feixes; as extremidades dos tubos são fixadas num espelho. O feixe de tubos é colocado numa envoltória cilíndrica (a carcaça) por onde circula o segundo fluido, em volta do feixe e por entre os tubos (INCROPERA, 2007). De acordo com Incropera (2007), há três tipos básicos de trocadores de calor. São eles: coaxial, casco e tubo e os compactos. Falaremos somente a respeito do trocador utilizado neste presente trabalho. Este trocador pode ser visualizado na Figura 1. Figura 1 - Trocador de Calor Casca e Tubos. Fonte: Apostila de Trocador de Calor, Ganghis, 2015. De acordo com o arranjo de fluxo, os trocadores de calor podem ser classificados de duas maneiras: trocador de calor em fluxo paralelo ou trocador de calor contracorrente. Na configuração de fluxos paralelos, dois fluidos entram no trocador do mesmo lado, e fluem em paralelo um ao outro para o outro lado. Em trocadores de calor contracorrente os fluidos entram no trocador de lados opostos. O projeto contracorrente, observado na figura 2 é mais eficiente, neste pode-se transferir a maior parte do calor do meio quente (INCROPERA, 2007). Figura 2 – Escoamento Contracorrente Fonte: Santos e Stapasolla, 2011. O escoamento paralelo em todos os tubos e a baixa velocidade contribui para coeficientes de transferência de calor baixos e para pequena queda de pressão. As chicanas são instaladas para aumentar o coeficiente de convecção do fluido no lado do casco. Na configuração deste trabalho temos os fluidos entrando pelas extremidades opostas, consequentemente o escoamento em sentidos opostos (contracorrente). Método da diferença de temperatura média logarítmica (LMTD) A taxa de transferência de calor pode também ser escrita em função da diferença de temperatura média logarítmica (DTML ou ?TML ) de acordo com a Equação 1, onde Ft é o fator de correção d

Professor Evandro E.

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Respondeu há 3 anos

Olá, Laila!

Este exercício pertencente aos conteúdos de Termodinâmica/Troca de Calor demanda um bom tempo para a resolução. 

Aconselho e colocá-lo na seção de Tarefas para que um professor possa melhor auxiliá-la. 

Saudações! 

Bons estudos!!