Roteiro Trocador de calor (MF)

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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
ESCOLA POLITÉCNICA
MESTRADO EM ENGENHARIA QUÍMICA
ROTEIRO DE PRÁTICA 
TOCADOR DE CALOR
1 – OBJETIVOS
Avaliar um tocador de calor casco e tubos no sistema água fria/água quente.
2 – DESCRIÇÃO DO SISTEMA
Dados do Equipamento 
O módulo Trocador de Calor Multitubular é constituído dos seguintes itens: 
1. Casco em acrílico com 150 mm de diâmetro 350 mm de comprimento; 
2. Feixe tubular, passe triangular, constituído em aço inox AISI 304, diâmetro externo de 9,7mm e espessura de 0,85mm, com os seguintes comprimentos: 
3 tubos de 765mm 
4 tubos de 695mm 
3. Tanques de armazenamento de água em polipropileno com capacidade de 60 litros cada; 
4. 08 sensores do tipo pt-100 para medição da temperatura (04 no casco e 04 no feixe); 
5. Rotâmetros para leitura de vazão com range de 0,20 a 2,0 L/min; 
6. 2 bombas centrífugas para água com capacidade de até 2 L/min - 12 Volts; 
7. Controlador lógico programável; 
8. Tanque de aquecimento com resistência de 3000W; 
9. 4 válvulas solenóides normalmente fechada para alinhamento do fluxo; 
10. Chave de acionamento geral; 
11. Chave de emergência para corte de geral de energia; 
12. Software supervisório. 
Tabela 1 - Informações sobre o equipamento:
	Specifications
	Heat transfer area (installed)
	0,15
	m²
	Nominal diameter
	300
	mm
	Active length
	
	mm
	Nominal length (tubes)
	363,0
	mm
	Inner Tube (outer-diam. x wallthickness)
	9,7 x 0,9
	mm
	Tube (type, pitch, pattern)
	Plain 30
	mm
	Number of inner tubes
	7
	
	Number of passes (tube-side / shell side)
	2 x 2
	
	Cross baffles (shell) (number of)
	2
	%
	Shell, inner diameter
	150,0
	mm
	Insulation (type, thickness)
	NA
	mm
	Materials
	Tube
	AISI 304
	Shell
	Acrílico
	Tube sheet
	AISI 304
	Heads
	AISI 304
	Design Conditions
	
	Tube Side
	Shell Side
	Unit
	Design temperature (min./max.)
	0,00
	70,00
	5,00
	70,00
	°C
	Design pressure (min./max.)
	0,00
	1,50
	0,00
	1,00
	bar(g)
	
	
	
Descrição 
A seguir é apresentado o fluxograma de processos do módulo:
O tanque 1 (TQ-01) irá fornecer água para o lado dos tubos e irá receber todo líquido efluente do processo, já o tanque 2 (TQ-02) irá apenas fornecer água fria para o casco. Como o tanque 2 não recebe efluentes, a temperatura da água contida nele será a mesma durante todo o processo.
No regime de escoamento paralelo, o controlador irá abrir as válvulas V-4 (para a entrada do fluido quente) e V2 (para a saída do fluido). As válvulas V-3 e V1 permanecerão fechadas. 
Já para escoamento contra-corrente, o controlador irá abrir as válvulas V-1 (para a entrada do fluido quente) e V3 (para a saída do fluido). As válvulas V-2 e V4 permanecerão fechadas. 
O módulo possui autonomia de 1 hora de trabalho para uma vazão de 1 litros por minuto. 
Procedimento de partida e operação 
1. Encher o Tanque 1 com água que ultrapasse apenas 2 cm do início do visor de nível; 
2. Encher o Tanque 2 com água até o limite do visor de nível; 
3. Conectar o módulo à tomada (220V); 
4. Ligar a chave principal no quadro elétrico; 
5. Conectar o cabo de comunicação ao computador (USB do lado direito) e inicializar o software 
Clique no Menu Configurações – Configurar e em seguida configure a porta virtual “Serial Port” habilitada no computador. As outras informações seguem o default do software. Clique em Ok. 
OBS: escolha a opção de porta como “COM 3”.
Clique no Menu Iniciar – Conectar. O controlador está configurado para iniciar o fluxo em contra-corrente. Para verificar se a comunicação está funcionando, selecione o Fluxo Paralelo e clique em fechar. Nesse instante será possível ouvir o alinhamento da solenoide que confirmará que o software está se comunicando com o controlador. 
OBS: Note que as cores das válvulas mudam conforme a condição de regime escolhida.
Acione a bomba B-01 a partir da barra de rolagem para encher o sistema de aquecimento de água. O sistema estará totalmente cheio quando o líquido dos tubos sair das solenoides para o Tanque 1 (TQ-01). É possível verificar esta parte do processo observando as mangueiras de saída das válvulas. 
OBS: o tanque de aquecimento tem que estar totalmente cheio e isto você percebe visualmente a partir do escoamento da água pela mangueira de saída.
Com o sistema dos tubos cheio, pode-se definir o setpoint de temperatura da entrada da água quente nos tubos. Para isso, clique no botão “Alterar” do controlador e através das setas estabeleça o setpoint desejado. Após, clique em “Confirmar”. 
OBS: só faça este passo após ter certeza que o sistema dos tubos está cheio, para evitar que a resistência do aquecedor ligue no seco. Caso isto ocorra, a resistência queimará.
Inicie a leitura das variáveis clicando no menu “Leitura – Iniciar Leitura”. Os valores serão plotados no supervisório conforme localização física de cada sensor. Os sensores de F1 a F4 referem-se ao Feixe Tubular e estão na ordem crescente do sentido do fluxo, ou seja, na entrada do trocador F1, o primeiro ponto interno do tubo F2 o segundo ponto interno F3 e a saída do feixe tubular F4. Para os sensores do casco, de denominação C1 a C4, o princípio é o mesmo do feixe tubular. 
Para salvar os dados basta clicar no menu “Leitura – Salvar Dados”. Os valores medidos a cada intervalo de tempo são salvos em uma planilha na aba “Tabela”. Os valores da temperatura dos pt-100 são plotados no gráfico na aba “Processo” com relação à distância da entrada do equipamento (casco e tubo). Com isso é possível verificar o perfil de temperatura ao longo dos tubos e do casco.
Acione a bomba B-02 a partir da barra de rolagem para encher o casco após o início do aquecimento da água. 
7. Conduza o ensaio até que o sistema alcance o regime estacionário. A definição do regime estacionário poderá ser feita a partir da leitura dos sensores F4 ou C4, quando os valores das temperaturas ficarem aproximadamente constantes.
8. Caso necessite realizar novos ensaios, leia as OBS2 e OBS3 a seguir. 
6. Para encerrar a prática o operador deve: 
Encerrar a leitura - Para parar a leitura clique no menu “Leitura – Parar Leitura”.
Vá até a aba “Tabela” e clique no botão “Exportar para Excel” (na parte inferior da tela). Os dados são exportados automaticamente para que se possa tratá-los.
Salvar a planilha com os resultados em “Documentos”, nomeando o nome do grupo.
Colocar a temperatura de setpoint no mínimo, item 5d. 
Desligar as bombas através das barras de rolagens. 
Clicar em “Sair – Encerrar”. 
Desligue o computador.
Desligue a chave principal do quadro de comando.
OBS1 - O experimento pode ser continuado enquanto houver água no Tanque 2. Para isso observe o visor de nível existente junto ao tanque. Quando o Tanque 1 estiver cheio, o Tanque 2 estará praticamente vazio. Caso se deseje realizar uma nova pratica na sequência, drene o Tanque 1 até o nível descrito no item 1 e encha o Tanque 2 com água fria até o nível descrito no item 2.
OBS2 - Para alterar o setpoint do equipamento em operação, basta repetir o passo 5.d. Após o regime estar em estado estacionário e ter dados o suficiente salvos.
OBS3 - Para alterar o regime de fluxo do equipamento é necessário clicar no menu “Configurações – Fluxo” e escolher o regime em que se quer trabalhar. Clicar em “Fechar”. 
OBS4 – Quando o experimento for realizado em outro momento, ou seja, quando a água no Tanque 1 tiver à temperatura ambiente, pode-se transferir água do Tanque 1 para o Tanque 2. Para isso, passe a mangueira que sai das válvulas solenóides e entra no Tanque 1 para o Tanque 2 e ligue a bomba B-01. Deixe esta bomba ligada até que os níveis sejam restabelecidos.
 
Prática 
1. O aluno deverá realizar quatro ensaios (4) ensaios em condições operacionais diferentes, seguindo as recomendações:
Ensaios com a configuração em “PARALELO”.
Estabeleça um setpoint a umatemperatura x e especifique as vazões nos valores y e z.
No segundo ensaio, mantenha o mesmo setpoint, mas altere uma das vazões anteriores ou as duas.
Mude a configuração para “CONTRA CORRENTE” e mantenha o setpointe no mesmo valor:
No terceiro ensaio, mantenha as mesmas vazões do item “aii”.
No quarto ensaio, altere as vazões do item “bi”. 
Pontos a serem explorados no seminário
Aplicar os métodos ΔTML e Kern para encontrara os coeficientes globais de troca térmica para todos os ensaios realizados. 
Discutir os resultados encontrados considerando as configurações do sistema empregadas e a influência das variações de vazão.
Na opinião do grupo, qual foi a melhor configuração?
Se o fluido quente fosse vapor saturado, o cálculo para a obtenção do coeficiente global de troca seria diferente? Explique. 
 		 Prof. Carlos Augusto Pires