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CAPÍTULO 4CAPÍTULO 4
PROJETO TPROJETO TÉÉRMICO DE RMICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO TROCADORES DE CALOR TIPO
DUPLO TUBODUPLO TUBO
•Metodologia de projeto
•Descrição dos trocadores
Tabela 4.1- Conexões de um trocador de calor duplo tubo(em polegadas)
Tubo externo, IPS Tubo interno, IPS
2 1 ¼
2 ½ 1 ¼
3 2
4 3
Comprimentos
COEFICIENTES DE PELCOEFICIENTES DE PELÍÍCULA CULA PARA FLUIDOS EM TUBOSPARA FLUIDOS EM TUBOS
( )( )14,0
31
86,1
=
pLDrPeRNu
µµ
14,031
86,1
=
p
pi
LD
kCVD
kDh
µµµ
µρ
10>LDrPeR d
Escoamento laminar
14,0
318,0027,0
=
p
rPeRNuµµ
Escoamento turbulento
COEFICIENTES DE PELCOEFICIENTES DE PELÍÍCULA PARA CULA PARA FLUIDOS QUE ESCOAM EM ANFLUIDOS QUE ESCOAM EM ANÉÉISIS
PADH
4=
Transferência de calor
( )1
21
22
1
21
22
4444
DDD
DDD
molhadoperímetroescoamentodeárea
PADH
−=
−=
×==
ππ
Perda de carga( )( ) 12
12
21
22'
4444 DD
DDDD
atritodemolhadoperímetroescoamentodeárea
PADH −=
+−
=×
==ππ
QUEDA DE PRESSQUEDA DE PRESSÃÃO EM TUBOS O EM TUBOS E SEE SEÇÕÇÕES ANULARESES ANULARES
8,0Vhi α2Vpα∆
ρ2
42V
DLfp =∆
para escoamento laminar
eRf 16=
para escoamento turbulento em tubos lisos:
32,0
125,00014,0eR
f +=
para escoamento turbulento em tubos rugosos:
42,0
264,00035,0eR
f +=
Perda de carga localizada
ρ2
2Vp =∆
EXEMPLO: PROJETO TÉRMICO DE UM TROCADOR DE CALOR DUPLO TUBO
Desejamos aquecer 4 454 kg/h de benzeno frio de 27 °C a 49 °C, usando-se tolueno quente que é resfriado de 71 °C a 38 °C. As densidades relativas a 20 °C são 0,88 e 0,87, respectivamente. As outras propriedades dos fluidos podem ser encontradas na bibliografia especializada ou determinadas experimentalmente. Um fator de incrustação de 0,0002 pode ser admitido para cada corrente, e a queda de pressão permitida para cada corrente é de 0,7 bar. Projetar um trocador de calo duplo tubo para esta operação.
o27 C
o49 C
71 Co
o38 C
1) Condições do processo necessárias:
Fluido quente: Tolueno
=qm& ?. ∆p = 0,7 bar. Rd = W
Cm o2
0002,0T1 = 71 °C. T2 = 38 °C.
Fluido frio: Benzeno
∆p = 0,7 bar. Rd = W
Cm o2
0002,04 454 kgh=fm&t1 = 27 °C. t2 = 49 °C.
2) Temperaturas médias:
CTTT 021 5,542
38712
=+
=+
=
Cttt o382
49272
21 =+
=+
=
3) Propriedades físicas:
CkgkJ
o. CkgkJ
o.
smkg
. smkg
.
CmW
o. CmW
o.
Tolueno Benzeno
Cp = 1,842 Cp = 1,779
s = 0,87 s = 0,88
µ = 4,1 x 10-4 µ = = 5 x 10-4
k = 0,147 k =0,157
4) Seleção dos tubos:
Utilizaremos tubo IPS 2” x 1 ¼”, com 6 metros de comprimento.
5) Balanço de calor:
( ) ( ) kWCCkgkJ
hkgttCm o
opff 42,482749.779,1.454412 =−=−= &benzeno Q
tolueno
( ) ( ) hkg
skg
CCkgkJ
kWTTC
Qmo
opqq 2868797,0
3871.842,142,48
12
==−
=−
=&
6) MLDT:
( ) ( ) ( ) ( ) C
tTtT
tTtTMLDT o87,15
27384971ln
27384971
ln12
21
1221 =
−−
−−−=
−−
−−−=
Para o tubo interno: Benzeno
7) Área de escoamento:2
2
00096,04035,0 mat ==
πmmDi 35"38,1 ==
8) Velocidade do escoamento:
sm
amV
tt 46,1
00096,0.1000.88,03600/4454
.===
ρ&
93689105
035,0.46,1.1000.88,04 =
×== −µ
ρ DVeR t9) Reynolds:
10) Prandtl:67,5
157,01779.105 4
=×
==−
kC
rP pµ
11) Nusselt:
Escolher a equação adequada de acordo com o tipo de escoamento. Na primeira iteração considerar ,
CtTT op 25,46
2385,54
2=
+=
+=
correspondendo a µp = 1,8 smkg
.
3,4428,1
779,1.67,5.89936.027,0027,014,0
318,0
14,0
318,0 =
=
=
p
rPeRNuµµ
12) Coeficiente de transferência de calor por convecção:
CmW
DkNuh oi .1984
035,0157,03,442 2===
Para o anel: Tolueno
13) Área de escoamento: mmmD 04216,016,42"66,11 ===
mmmD 0525,05,52"067,22 ===
( ) ( ) 2222
122 000769,0
404216,00525,0
4mDDaa =
−=
−=
ππ
14) Diâmetro equivalente:
mD
DDmolhadoperímetro
escoamentodeáreaDH 0232,004216,0
04216,00525,04 22
1
21
22 =
−=
−=
×=
sm
am
aa 191,1
000769,0.1000.87,0797,0
.===
ρ&15) Velocidade do escoamento: V
16) Reynolds:58632
101,40232,0.191,1.1000.87,0
4 =×
== −µρ Ha DVeR
17) Prandtl:14,5
147,01842.101,4 4
=×
==−
kC
rP pµ
18) Nusselt:
Escolher a equação adequada de acordo com o tipo de escoamento. Na primeira iteração considerar , CtTT o
p 25,462
385,542
=+
=+
=
correspondendo a µp = 1,8 smkg
.
3048,1
842,1.14,5.58632.027,0027,014,0
318,0
14,0
318,0 =
=
=
p
rPeRNuµµ
19) Coeficiente de transferência de calor por convecção:
CmW
DkNuh o
He .2,1926
0232,0147,0304 2===
20) Temperatura da parede:
( ) ( ) ( ) CtThh
htt occ
oio
ocw 89,46385,54
2,192604216,0
035,0.19842,192638 =−
++=−
++=
O valor arbitrado inicialmente 46,25°C não apresenta diferença significativa, portanto os coeficientes de transferência de calor por convecção calculados estão corretos
Cálculo da área:21) Coeficiente global de troca térmica:
ee
iee
i
ie
ii
ee
hRd
krrd
dRdd
hddU
12
)ln(1
++++=
CmWU
U
oe
e
.3,609
2,192610002,0
53.2)035,0/04216,0ln(04216,0
035,00002,0.04216,0
1984.035,004216,0
1
2=
++++=
2587,15.3,609
42048 mMLDTUQ
==⋅
=22) Área total de troca térmica: A
23) Número de tubos:3,6
6.04216,0.5
==⋅⋅
=ππ LD
ANe
t
O número de tubos deve ser inteiro, usaremos 6 tubos
2' 768,46.6.04216,0.... mNLDA te === ππ
O trocador ésatisfatório quanto àtransferência de calor
→<−=×−
=×−
= %5%63,41005
5768,4100%'
AAAErro
24) Número de grampos:
326
2=== t
gNN
Cálculo da perda de carga:
Para o tubo interno:
25) Fator de atritoDe acordo com o número de Reynolds, calculado em (9),determina-se o fator de atrito por:
0057,089936
264,00035,0264,00035,0 42,042,0 =+=+=eR
f
26) Perda de carga no tubo
barbarVDLfpt 7,022,010.1000.88,0
246,1
035,0360057,0.4
24 5
22
<===∆ −ρ
Para o anel:
27) Diâmetro equivalente:
mDDatritodemolhadoperímetro
escoamentodeáreaDH 0103,004216,00525,0412
' =−=−=×
=
28) Reynolds para perda de carga no anel
26030101,4
0103,0.191,1.1000.87,04
'
=×
== −µρ Ha DVeR
29) Fator de atrito
0071,026030
254,00035,0264,00035,0 42,042,0' =+=+=eR
f
30) Perda de carga no anel
barVDLfp
Ha 62,010.1000.87,0
2191,1
0103,036.0071,0.4
24 5
22
' ===∆ −ρ
31) Perda na entrada e na saída
Uma carga cinética para cada grampo
barVpg 0038,010.1000.87,02
191,12
522
===∆ −ρ
32) Perda total
barbarNppp ggaaneltotal 7,063,00038,0.362,0 <=+=⋅∆+∆=∆
Se as condições estabelecidas inicialmente não forem atendidas, retornar ao ponto 4 e arbitrar outros diâmetros e/ou comprimento para os tubos