LAB_III_-TROCADOR_DE_CALOR

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<p>UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO – UFMA</p><p>CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA – CCET</p><p>COORDENAÇÃO DO CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA – COEQ</p><p>LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA III COEQ 0045;</p><p>ANO LETIVO/SEMESTRE: 2019.2; Professor Dr. JAIVER EFREN JAIMES FIGUEROA</p><p>6</p><p>TROCADOR DE CALOR DE PLACAS PLANAS</p><p>SOUSA.K.J.S1, MATTOS. L.P.F 2, TEXEIRA, L.G.C 3</p><p>1,2,3 Universidade Federal do Maranhão, Ciências e Tecnologias</p><p>E-mail para contato: Gustavo_costa27@outlook.com</p><p>Resumo- Esse trabalho descreve um experimento destinado ao estudo da transferência de calor por meio de um trocador de calor de placas planas. O experimento consistiu em variar as vazões de entrada de fluido frio e quente e observar as mudanças nas temperaturas. Foram calculados os parâmetros de avaliação do equipamento: coeficiente global de transferência térmica, a efetividade do trocador e, os parâmetros de Nusset, viabilizando a avaliação da eficiência do trocador.</p><p>PALAVRAS-CHAVE: Transferência, calor, Reynolds, Nusselt, trocador de calor, placas.</p><p>1. INTRODUÇÃO</p><p>Os trocadores de calor são utilizados na transferência de calor entre dois ou mais fluidos que se encontram em diferentes temperaturas, os fluidos podem estar ou não postos em contato direto.</p><p>Para diferentes tipos de aplicações de transferência de calor, se necessita de diferentes configurações de trocadores de calor. Dessa forma, eles são classificados em trocadores tubulares, de placas, compacto, casco e regenerativo. O trocador de calor do tipo placa consiste em uma série de placas planas corrugadas com passagens para o escoamento. São usadas gaxetas para formar canais de escoamento pelo quais os fluidos quente e frio circulam alternadamente, trocando calor através do contato com as placas metálicas. (ÇENGEL, 2012).</p><p>Os trocadores de calor do tipo placa apresentam estrutura compacta, geralmente utilizados em operações líquido-líquido, atuando em temperatura e pressão moderada e apresentando vantagens em comparação aos outros tipos de trocadores, como a estrutura compacta, versatilidade, facilidade de limpeza e manutenção, bom controle de temperatura e rendimento térmico. Entre as limitações de sua operação pode ser citada a dificuldade de operação em certas temperaturas e pressões devido ao uso extensivo de gaxetas, e as perdas de carga durante o escoamento dos fluídos através dos estreitos canais conjugados.</p><p>Para projetar ou prever o desempenho de um trocador de calor é essencial relacionar a taxa total de transferência de calor a variáveis como: as temperaturas de entrada e saída dos fluidos, o coeficiente global de transferência de calor e a área superficial total disponível para a transferência de calor (INCROPERA et al, 2015). Por fim, o objetivo deste experimento é o estudo e avaliação do desempenho do trocador de calor de placas planas.</p><p>2. EQUAÇÕES</p><p>Uma característica importante para conhecer as condições de operação de um trocador de calor é o do coeficiente global de transferência de calor, que é definido como a resistência térmica total à transferência de calor entre dois fluidos, e determinado através da Equação 1.</p><p>(1)</p><p>O termo ∆x/kplaca representa a resistência do material ao processo de transferência de calor por condução, sendo ∆x a espessura da placa e kplaca a condutividade térmica do material da placa, hg e hf são os coeficientes convectivos de transferência de calor dos fluidos quente e frio, respectivamente (FLÓREZ, 2018)</p><p>O coeficiente global de transferência de calor é utilizado na previsão do desempenho de um trocador de calor através da sua relação com a taxa total de transferência de calor, com as temperaturas de entrada e saída dos fluidos e a área superficial total disponível para a transferência de calor, expresso na Equação 2.</p><p>(2)</p><p>Obedecendo a primeira lei da termodinâmica, é possível afirmar que todo o calor cedido pelo fluido quente é recebido pelo fluido frio. Equação 3:</p><p>(3)</p><p>A diferença de temperatura entre os fluidos quente e frio varia ao longo do trocador de calor. Assim é interessante o uso da diferença de temperatura média ∆Tm na relação que determina a taxa total de transferência de calor. O valor de ∆Tm é dado pela Equação 4:</p><p>(4)</p><p>As temperaturas quente e fria do processo foram tomadas durante todo o experimento, e a partir delas, calculou-se a temperatura média (Tm) para ambas por meio da equação:</p><p>(5)</p><p>Esse valor da temperatura média permitiu que fossem encontradas as propriedades da água e número de Prandtl, de posse desses valores, calculou-se os números de Reynolds (Re) conforme equação (6).</p><p>(6)</p><p>De acordo com ÇENGEL, o número de Nusselt (Nu) para um escoamento laminar sobre uma placa plana é dado pela seguinte Equação (4):</p><p>(7)</p><p>Os coeficientes convectivos de transferência de calor dos fluidos quente e frio foram calculados a através da equação (8):</p><p>(8)</p><p>E a partir dos coeficientes convectivos de transferência de calor para ambos os fluidos, os coeficientes globais teóricos de transferência de calor, foram calculados pela equação (9):</p><p>(9)</p><p>Calcularam-se o calor cedido pela água quente e o calor recebido pela água fria, conforme as Equações 10 e 11, respectivamente. Com esses valores, foi possível encontrar o coeficiente global de troca térmica experimental através da Equação 12 para os dois estados do fluido através do método da diferença de temperatura média logarítmica. Em seguida, e calculados pelas Equações 13 e 14.</p><p>(10)</p><p>(11)</p><p>(12)</p><p>(13)</p><p>(14)</p><p>O calor máximo transferido no sistema foi calculado pela capacidade térmica mínima entre as capacidades dos fluidos frios e quentes e a diferença de temperatura entre os fluido frio e quente na entrada do trocador, conforme equação 15.</p><p>(15)</p><p>A eficiência do trocador de calor foi obtida seguindo a equação 16:</p><p>3. CAMPANHA EXPERIMENTAL</p><p>3.1 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS</p><p>· Trocador de calor de placas confeccionado em aço inoxidável, com medidores de temperatura na entrada e saída dos fluidos quente e frio, marca Alfa Laval, modelo: CB26-54H (H21/13-321).</p><p>· Tanque pulmão com resistência elétrica para armazenamento de água quente.</p><p>· Bomba para circulação de fluido quente.</p><p>· Medidores de vazão tipo rotâmetro.</p><p>· Painel de aquisição de dados.</p><p>· Tubulações, válvulas e mangueiras.</p><p>3.2 METODOLOGIA</p><p>No início do procedimento foi acionada a passagem de fluido quente pelo interior do equipamento. Após ser atingida a temperatura de trabalho, que foi 50 °C, iniciou-se o escoamento de água fria, variou-se as vazões das correntes frias e quentes, anotando-se as temperaturas de entrada e saída para cada uma delas e o tempo necessário para a estabilização das mesmas . As vazões de fluído quente e frio foram variadas conforme tabela abaixo :</p><p>VQ (L/h)</p><p>VF (L/h)</p><p>120</p><p>90</p><p>190</p><p>300</p><p>350</p><p>200</p><p>100</p><p>200</p><p>300</p><p>350</p><p>300</p><p>90</p><p>190</p><p>300</p><p>350</p><p>Figura 1 – Trocador de calor.</p><p>4. RESULTADOS E DISCUSSÕES</p><p>A Tabela 01 mostra os valores obtidos experimentalmente para o fluido quente (Te) para a vazão de 120L/h e para o fluido frio (Ts) fora obtido quatro diferentes vazões do mesmo, em suas respectivas entradas e saídas no trocador. As vazões de fluido quente foram aumentadas posteriormente para 200L/h e 300L/h, onde em cada intervalo se utilizou as mesmas vazões de fluido frio.</p><p>Tabela 1 - Valores de entrada e saída da temperatura iniciais</p><p>VQ (L/h)</p><p>VF (L/h)</p><p>Te (C)</p><p>Te (K)</p><p>Ts (C)</p><p>Ts (K)</p><p>120</p><p>90</p><p>49.2</p><p>322.35</p><p>40.9</p><p>314.05</p><p>190</p><p>48.8</p><p>321.95</p><p>35.2</p><p>308.35</p><p>300</p><p>48.6</p><p>321.75</p><p>33.3</p><p>306.45</p><p>350</p><p>48.1</p><p>321.25</p><p>32.6</p><p>305.75</p><p>As temperaturas foram convertidas para Kelvin, no intuito de encontrar posteriormente os valores referentes a massa específica (), capacidade calorífica em pressão constante () e viscosidade dinâmica (), então construiu-se a Tabela 2.</p><p>Tabela 2 – Propriedades físicas obtidas</p><p>VQ (L/h)</p><p>VF (L/h)</p><p>Te (K)</p><p>Densidade média (kg/m3)</p><p>μ média (kg/m*s)</p><p>Cp (J/(Kg*K))</p><p>120</p><p>90</p><p>322.35</p><p>995.53</p><p>5.96E-04</p><p>4185.38</p><p>190</p><p>321.95</p><p>995.87</p><p>6.29E-04</p><p>4185.30</p><p>300</p><p>321.75</p><p>995.99</p><p>6.41E-04</p><p>4185.34</p><p>350</p><p>321.25</p><p>996.05</p><p>6.49E-04</p><p>4185.30</p><p>200</p><p>100</p><p>321.15</p><p>995.48</p><p>6.91E-04</p><p>4182.38</p><p>200</p><p>321.55</p><p>995.08</p><p>5.55E-04</p><p>4180.86</p><p>300</p><p>321.45</p><p>995.78</p><p>6.20E-04</p><p>4179.97</p><p>350</p><p>321.05</p><p>995.88</p><p>6.30E-04</p><p>4179.57</p><p>300</p><p>90</p><p>320.85</p><p>995.43</p><p>5.86E-04</p><p>4178.83</p><p>190</p><p>321.05</p><p>995.52</p><p>5.92E-04</p><p>4178.83</p><p>300</p><p>320.45</p><p>995.72</p><p>6.16E-04</p><p>4178.71</p><p>350</p><p>320.05</p><p>995.79</p><p>6.20E-04</p><p>4178.63</p><p>A Tabela 2 apresenta resultados obtidos por meio de interpolação, estes valores são referentes às temperaturas obtidas experimentalmente e as que são referenciadas no livro Perry´s Chemical Engineers Handbook 7ªed (PERRY,1997).</p><p>Para obter os valores da área de escoamento, diâmetro hidráulico no trocador de calor e a área de troca térmica do equipamento, foi necessário checar os dados da fabricante, que são vistos na Tabela 3.</p><p>Tabela 3- Propriedades do equipamento fornecido pelo fabricante</p><p>N placas</p><p>∆z (m)</p><p>Espessura (m)</p><p>V entre placas (L)</p><p>Perímetro mlhado (m)</p><p>54</p><p>3.20E-03</p><p>1.58E-04</p><p>0.028</p><p>0.104</p><p>Com isso, utilizou-se as equações:</p><p>A área de escoamento é então reescrita em função do diâmetro hidráulico, levando a equação 19.</p><p>A condução então é calculada pela fórmula:</p><p>A condutividade já é fornecida pelo fabricante, sendo igual a do aço inox e não é necessário calcular a mesma. Resolvendo as equações 17, 18, 19 e 20 construiu-se a Tabela 4 com os respectivos resultados</p><p>Tabela 4- Valores do trocador de calor determinados</p><p>Ae (m2)</p><p>Att (m2)</p><p>Dh (m)</p><p>Kaço inox (W/(m*K)</p><p>1.76E-02</p><p>0.7278336</p><p>0.149859629</p><p>15.1</p><p>Com estes dados obtidos, foi possível então calcular o número de Reynolds (Re), número de Prandtl (Pr) e a velocidade de escoamento (u). Para Reynolds utilizou-se a Equação 6, enquanto para Prandtl e a velocidade de escoamento se fez uso das Equações 21 e 22.</p><p>Ao solucionar tais equações, foram encontrados os resultados encontrados na Tabela 5</p><p>Tabela 5 - Dados do número de Reynolds, Prandtl e a velocidade de escoamento para as vazões utilizadas para os fluidos quente e frio.</p><p>VQ (L/h)</p><p>u (m/s)</p><p>Re</p><p>Pr</p><p>120</p><p>5.61E-03</p><p>39.516</p><p>4.295</p><p>120</p><p>5.61E-03</p><p>37.456</p><p>4.533</p><p>120</p><p>5.61E-03</p><p>36.759</p><p>4.620</p><p>120</p><p>5.61E-03</p><p>36.308</p><p>4.677</p><p>200</p><p>9.36E-03</p><p>65.979</p><p>4.980</p><p>200</p><p>9.36E-03</p><p>62.539</p><p>4.000</p><p>200</p><p>9.36E-03</p><p>61.376</p><p>4.468</p><p>200</p><p>9.36E-03</p><p>60.623</p><p>4.540</p><p>300</p><p>1.40E-02</p><p>98.851</p><p>4.223</p><p>300</p><p>1.40E-02</p><p>93.696</p><p>4.266</p><p>300</p><p>1.40E-02</p><p>91.953</p><p>4.439</p><p>300</p><p>1.40E-02</p><p>90.825</p><p>4.468</p><p>VF (L/h)</p><p>u (m/s)</p><p>Re</p><p>Pr</p><p>90</p><p>4,21E-03</p><p>22,589</p><p>5,650</p><p>190</p><p>8,89E-03</p><p>47,407</p><p>5,686</p><p>300</p><p>1,35E-02</p><p>71,468</p><p>5,715</p><p>350</p><p>1,68E-02</p><p>88,337</p><p>5,780</p><p>90</p><p>4,21E-03</p><p>22,139</p><p>5,766</p><p>190</p><p>8,89E-03</p><p>47,647</p><p>5,657</p><p>300</p><p>1,35E-02</p><p>71,828</p><p>5,686</p><p>350</p><p>1,68E-02</p><p>89,673</p><p>5,693</p><p>90</p><p>4,21E-03</p><p>22,334</p><p>5,715</p><p>190</p><p>8,89E-03</p><p>48,138</p><p>5,600</p><p>300</p><p>1,35E-02</p><p>71,755</p><p>5,692</p><p>350</p><p>1,68E-02</p><p>89,785</p><p>5,686</p><p>A constante de Prandtl estabelece uma relação entre as forças de difusividade do fluido e difusão térmica. Quanto maior o valor, menor será a difusão térmica em razão da viscosidade. As vazões do fluido quente apresentam valores menores, portanto, a perda de calor é favorecida.</p><p>Por meio da Tabela 5 fica claro que o regime é laminar, uma vez que o número de Reynolds se encontra entre . Portanto, pode-se presumir que para que haja troca térmica efetiva entre as placas é necessário que o regime de escoamento seja laminar com baixos valores de Reynolds.</p><p>Para que seja determinado o número de Nusselt (Nu), faz-se o uso da Equação 23</p><p>As variáveis a e b são dependentes do escoamento (Re) e da efetividade do transporte difusivo no interior das camadas limite (Pr), neste caso em especifico temos que a constante . Segundo (INCROPERA,2015) para condições de fluxo térmico constante, o valor pode ser assumido como:</p><p>· Regime Laminar</p><p>· Regime Turbulento</p><p>Sendo assim, temos que e , uma vez que o regime de estudo é laminar. De posse destes dados, foi então mensurado o coeficiente convectivo de transferência de calor ( pela Equação 26</p><p>Em seguida, utilizou-se a Equação 27 para encontrar o valor do coeficiente global de transferência de calor.</p><p>Como o fluxo de calor percorre as placas dentro do trocador, das quais tem a mesma dimensão, pode-se reduzir a Equação 27 e para a forma da Equação 28.</p><p>Os resultados podem ser observados na Tabela 6 a seguir.</p><p>Tabela 6 - Valores de Nusselt, coeficientes convectivos, resistência térmica condutiva e coeficiente global de transferência de calor obtidas a partir das vazões experimentais</p><p>VQ (L/h)</p><p>VF (L/h)</p><p>Nuq</p><p>Nuf</p><p>Hq (W/m2*C)</p><p>Hf (W/m2*K)</p><p>∆x/kplaca(K/W)</p><p>U</p><p>120</p><p>90</p><p>1.559333997</p><p>1.391280467</p><p>376.839</p><p>336.226</p><p>1.73E-01</p><p>5.604506505</p><p>190</p><p>1.559546996</p><p>1.876271741</p><p>376.891</p><p>453.432</p><p>205.8167482</p><p>300</p><p>1.559622162</p><p>2.215559358</p><p>376.909</p><p>535.427</p><p>221.1982574</p><p>350</p><p>1.559659743</p><p>2.422457159</p><p>376.918</p><p>585.427</p><p>229.2919007</p><p>200</p><p>100</p><p>2.030879173</p><p>1.391319534</p><p>490.796</p><p>336.236</p><p>199.5365677</p><p>200</p><p>1.820990269</p><p>1.876256688</p><p>440.073</p><p>453.429</p><p>223.3254254</p><p>300</p><p>1.889231096</p><p>2.215532695</p><p>456.564</p><p>535.420</p><p>246.4290086</p><p>350</p><p>1.891996928</p><p>2.42238914</p><p>457.233</p><p>585.411</p><p>256.7214072</p><p>300</p><p>90</p><p>2.23501271</p><p>1.391302791</p><p>540.128</p><p>336.232</p><p>207.2300916</p><p>190</p><p>2.196580876</p><p>1.876264215</p><p>530.840</p><p>453.431</p><p>244.5457128</p><p>300</p><p>2.215076748</p><p>2.215523808</p><p>535.310</p><p>535.418</p><p>267.6821142</p><p>350</p><p>2.209881402</p><p>2.422379423</p><p>534.055</p><p>585.408</p><p>279.2768148</p><p>O comportamento do fluido em relação ao número de Nusselt é o esperado, pois ele tende a aumentar de acordo com a vazão, e consequentemente a transferência de calor convectiva em detrimento da condutiva.</p><p>Um ponto importante a ser destacado é o fato do número de Nusselt na vazão de 120L/h d fluido quente ser praticamente constante, o que evidência o fato de haver pouca troca de calor por via convectiva. É possível constatar também que conforme se aumenta a vazão do fluido frio, o Hf aumenta, isso se deve a maior turbulência dos fluidos envolvidos no processo, elevando assim seu coeficiente convectivo.</p><p>Por meio do método LMDT, visto na Equação 4, fez-se correções nos valores do coeficiente global de transferência de calor e a quantidade de calor (Equação 29) e construiu-se a Tabela 7.</p><p>Tabela</p><p>7- Valor de U médio, LMDT e quantidade de calor nas respectivas vazões</p><p>VQ (L/h)</p><p>VF (L/h)</p><p>U médio</p><p>LMDT</p><p>Q(W)</p><p>120</p><p>90</p><p>165.478</p><p>14.08418801</p><p>1696.304416</p><p>190</p><p>10.29705782</p><p>300</p><p>8.792233137</p><p>350</p><p>8.227365151</p><p>200</p><p>100</p><p>231.5031022</p><p>15.26706832</p><p>2572.435918</p><p>200</p><p>13.23408711</p><p>300</p><p>11.67607444</p><p>350</p><p>10.56174553</p><p>300</p><p>90</p><p>249.6836833</p><p>15.58267692</p><p>2831.811424</p><p>190</p><p>14.37070151</p><p>300</p><p>12.48622525</p><p>350</p><p>11.77526136</p><p>Logo após, é calculado o número de placas pela Equação 30</p><p>Onde o valor de n encontrado foi de , valor inferior ao número real que é 54.</p><p>Com o novo valor de n, foi mensurado a perda de carga suportada por cada placa por meio das Equações 31 e 32.</p><p>Sendo obtido o valor total de perda de carga em .</p><p>5. CONCLUSÃO</p><p>Trocadores de calor não apenas realizam trocas térmicas, mas também são responsáveis pelo melhor aproveitamento energético nas indústrias. Um trocador bem projetado e adequadamento dimensionado para a sua operação, e com manutenção em dia, é capaz de realizar um processo de troca térmica mais eficiente, e, portanto, mais atrativo do ponto de vista econômico.</p><p>6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS</p><p>INCROPERA, F. P.; DEWITT D. P. Fundamentos da Transferência de Calor e de Massa. 6. ed. Rio de Janeiro:LTC, 2008.</p><p>ÇENGEL, Y. A.; GHAJAR, A. J. Transferência de calor e massa: uma abordagem prática. 4 ed. Porto Alegre: AMGH:, 2011.</p><p>ÇENGEL, Y. A.; GHAJAR, A. J. Transferência de calor e massa: uma abordagem prática. 4 ed. Porto Alegre: AMGH:, 2012.</p><p>FLÓREZ, F. A. C. Trocador de Calor de Placas. Laboratório de Engenharia Química III, Coordenação de Engenharia Química, COEQ, Universidade Federal do Maranhão, São Luís, 2018.</p><p>PERRY, R.H. “Perry´s Chemical Engineers Handbook”. 7ed. New York: McGraw-Hill. 1997</p><p>image1.png</p><p>image2.jpg</p>