Relatorio 05 LEQ II - Trocador de Calor

Prévia do material em texto

1
FACULDADE DE SÃO BERNARDO DO CAMPO
LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA II
RELATÓRIO NO 05: TROCADOR DE CALOR
Profa. Dra. Isabel Danidtza e Prof. Dr. Hugo Melendez
Data da experiência: 17/10/2020
Data da entrega do relatório: 9/11/2020
Turma: A Grupo: 6
Preparado por R.A. Revisado e aprovado por
(assinatura)
Christian Garcia Leão 032915
Henrick Stevan Fernandes 031355
Laís Cassaro 031312
Letícia Silva de Moura 036013
2
1 OBJETIVO
Observar o funcionamento de um trocador de calor e seus processos de troca térmica.
Analisar os resultados obtidos no experimento a partir da comparação do comportamento
das temperaturas dos fluidos em trocadores de calor de escoamento paralelo e de escoamento
contracorrente
3
2 INTRODUÇÃO TEÓRICA
Trocadores de calor são dispositivos que efetuam a transmissão de calor (aquecimentos ou
resfriamento) de um fluido para o outro. Em alguns trocadores de calor a transferência de energia
entre os fluidos ocorre através de uma parede de separação, em outros equipamentos a transferência
acontece em contato direto (KREITH, 1999, p.120).
Na maioria dos trocadores de calor, os fluidos são separados por uma superfície de
transferência de calor e não se misturam. Esses trocadores são chamados tipo de transferência direta
ou simplesmente recuperadores. Trocadores nos quais há um fluxo intermitente de calor do fluido
quente para o frio (via armazenamento de calor e rejeição de calor através da superfície ou matriz
do trocador) são referidos como tipo de transferência indireta ou simplesmente regeneradores
(KREITH, 1999, p.120).
Os trocadores de calor podem ser classificados de acordo com o processo de transferência,
construção, arranjo de fluxo, compactação da superfície, número de fluidos e mecanismos de
transferência de calor (KREITH, 1999, p.120).
A equação básica do projeto para um trocador de calor é dada por
𝑑𝐴 = 𝑑𝑄𝑈Δ𝑇 
onde dA é o elemento da área de superfície necessária para transferir um quantidade de calor
dQ em um ponto no trocador onde a transferência de calor geral é o coeficiente U e onde a
diferença geral de temperatura entre os dois fluxos é ΔT. Através da equação de projeto podemos
calcular o coeficiente global de troca de calor (U) ou a taxa de transferência de calor (Q), ambos
servem para o projeto de um dimensionamento de trocadores de calor (PERRY, 1997, p.935).
4
3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
O experimento foi realizado no trocador de calor (ilustração 1).
Ilustração 1 - Trocador de Calor
FONTE: Profª. Dra. Isabel Danidtza e Prof. Dr. Hugo Melendez, 2020.
Encheu-se o reservatório de água e observou-se com cuidado o nível de água fria. Ligou-se
a bomba e o controle de temperatura do reservatório habilitando o aquecimento aquecimento.
Com a tecla “MOD” ajustou-se o Set Point da temperatura da água, no reservatório, em
45°C.
Verificou- se as mangueiras de água fria entrada/saída estão adequadamente ajustadas.
Verificou-se a posição das válvulas de água fria para escoamento em contracorrente/em
paralelo.
Acionou-se a entrada de água fria até uma vazão que fosse a metade da vazão da água
quente. Eliminou-se o ar visível no tubo de vidro do trocador com o auxílio da pequena válvula
auxiliar do reservatório de água quente. Fechou-se a válvula logo após o procedimento.
Anotou-se os tempos dos 4 termopares. Registrou-se o tempo necessário (minutos) para o
sistema atingir o regime permanente de temperaturas.
5
4 DADOS
4.1 DADOS COLETADOS NO LABORATÓRIO
Tabela 1 - Tabela de Temperatura e vazão do escoamento em corrente paralela
Temperatura 1
Teq
(ºC)
Temperatura 2
Tef
(ºC)
Temperatura 3
Tsq
(ºC)
Temperatura 4
Tsf
(ºC)
Vazão do
Quente(Qt)
(L/min)
Vazão do
Frio(Qf)
(L/min)
44,0 23,1 41,1 30,2 10,0 5,0
FONTE: Profa. Dra. Isabel Danidtza e Prof. Dr. Hugo Melendez, 2020.
Tabela 2 - Tabela de Temperatura e vazão do escoamento contracorrente
Temperatura 1
Teq
(ºC)
Temperatura 2
Tef
(ºC)
Temperatura 3
Tsq
(ºC)
Temperatura 4
Tsf
(ºC)
Vazão do
Quente(Qt)
(L/min)
Vazão do
Frio(Qf)
(L/min)
43,5 24,0 40,7 29,3 10,0 5,2
FONTE: Profa. Dra. Isabel Danidtza e Prof. Dr. Hugo Melendez, 2020.
Tabela 3 - Dimensões do trocador lado quente
Quantidade de
tubos
Diâmetro
nominal
(mm)
Diâmetro
interno
(mm)
Diâmetro
externo
(mm)
Comprimento
(mm)
4 3/8 7,7 9,5 635
FONTE: Profa. Dra. Isabel Danidtza e Prof. Dr. Hugo Melendez, 2020.
6
Tabela 4 - Dimensões do trocador lado frio
Quantidade de
tubos
Diâmetro
nominal
(mm)
Diâmetro
interno
(mm)
1 11/4 35,0
FONTE: Profa. Dra. Isabel Danidtza e Prof. Dr. Hugo Melendez, 2020.
4.2 DADOS DA LITERATURA CIENTÍFICA
Tabela 5 - Tabela de Calor Específico da Água na pressão de saturação
°F K °C Calor específico
(KJ/Kg.K)
32 273 0 4,226
41 278 5 4,206
50 283 10 4,195
59 288 15 4,187
68 293 20 4,182
77 298 25 4,178
86 303 30 4,176
95 308 35 4,175
104 313 40 4,175
113 318 45 4,176
FONTE: Introdução à Termodinâmica na Engenharia Química - M. M. Abbott, H. C. Van Ness, J. M. Smith 7ª Edição,
2007.
7
5 TRATAMENTOS DE DADOS
8
9
10
6 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Para analisar os resultados obtidos no experimento, comparou-se o comportamento das
temperaturas dos fluidos em trocadores de calor de escoamento paralelo e de escoamento
contracorrente, conforme o Gráfico 1 e o Gráfico 2.
Gráfico 1 - Comportamento das temperaturas dos fluidos em trocador de escoamento paralelo
Fonte: Próprio autor.
Gráfico 2 - Comportamento das temperaturas dos fluidos em trocador de escoamento contracorrente
Fonte: Próprio autor.
11
Através dos cálculos de potência dos fluidos conforme ilustrado na Tabela 5 , nota-se que é
coerente dizer que nos dois sistemas o fluido quente cede energia e o fluido frio recebe energia, pois
o primeiro apresenta um valor negativo e o segundo é positivo. Também percebe-se que a grande
diferença entre as potências dos fluidos frio e quente sofrem influência do ambiente externo, já que
troca de calor ocorre não só meio mas como nas adjacências.
Tabela 6 - Resultados dos cálculos de potência da corrente paralela
Potência no
fluido quente
(W)
Potência no
fluido frio
(W)
-2023,62 2477,19
Tabela 7 - Resultados dos cálculos de potência da contracorrente
Potência no
fluido quente
(W)
Potência no
fluido frio
(W)
-2024,0 2576,3
Fonte: Próprio autor.
Como apresentado na Tabela 6, os valores de LMTD expressam a força motriz requerida da
temperatura na transferência de calor em trocadores. Em ambos padrões de escoamentos os
resultados foram aproximados e possuem uma diferença de apenas 0,27°C entre eles, neste caso, no
trocador de calor de corrente paralela, é levemente transferido mais calor no meio que no trocador
de contracorrente.
Tabela 8 - Resultados dos cálculos de diferença de temperatura média logarítmica.
Corrente paralela
LMTD
(ºC)
contracorrete
LMTD
(ºC)
15,36 15,09
Fonte: Próprio autor.
12
Outro resultado obtido foi do coeficiente global de troca térmica, como demonstrado na
Tabela 7, os valores foram aproximados em ambos os padrões de escoamento, revelando que ambos
possuem troca térmica similar.
Tabela 9 - Resultados dos cálculos de coeficiente global de troca térmica.
U
corrente paralela
LMTD
(W/m² °C)
U
contracorrete
LMTD
(W/m² °C)
1919,64 1954,2
Fonte: Próprio autor.
13
7 CONCLUSÕES
Ao término do experimento , notou-se que é coerente dizer que nos dois sistemas o fluido
quente cede energia e o fluido frio recebe energia. E , ao comparar os diferente sentido de
escoamento do fluido frio, notou-se que, no trocador de calor de corrente paralela, é transferido ,
sutilmente, mais calor ao meio que no trocador de contracorrente. Ao finalizar os cálculos e
comparar coeficiente global de troca térmica, notou-se que os valores foram bem próximos nos dois
padrões de escoamento, revelando que ambos possuem troca térmica similar.
14
8 RESPOSTAS ÀS QUESTÕES PROPOSTAs
NO CAPÍTULO DE RESULTADOS: Apresente os valores numéricos dos parâmetros de processo
em regime permanente.
NOCAPÍTULO DE RESULTADOS E DISCUSSÃO
1. Calcule a potência (watts) fornecida pelo fluido quente e a potência recebida pelo fluido frio.
Compare os dois regimes de escoamento e discuta.
2. Calcule a diferença de temperatura média logarítmica (DTML ou MLDT) para os dois padrões de
escoamento. Compare e discuta.
3. Calcule o coeficiente global de troca térmica para os dois padrões de escoamento. Compare e
discuta.
15
REFERÊNCIAS
KREITH, F.B. Heat and Mass Transfer Mechanical Engineering Handbook. Boca Raton: CRC
Press LLC, 1999. 120 p.
PERRY, R.H. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. United States of America: The
McGraw-Hill Companies, 1997.