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São trocadores de calor constituídos por um casco cilíndrico, contendo um conjunto de tubos (trocador multitubular) colocados paralelamente ao eixo longitudinal do casco. Representação: Trocadores de calor casco e tubo Trocadores de calor casco e tubo É o mais comumente empregado na indústria química; Utilizado para amplas faixas de vazão, temperatura e pressão (> 30 bar; > 260 ºC); É o único que pode ser aplicado a processos que necessitam de grandes áreas de troca térmica ( > 5000 m2 ); Possibilita operações com fluidos corrosivos; Pode ser operado com líquidos, gases ou vapores. LADO CASCO LADO TUBO CHICANAS (baffles) Aumento das taxas de TC Trocadores de calor casco e tubo Trocadores de calor casco e tubo Consiste de um conjunto de tubos contidos em uma carcaça (casco) cilíndrica. Os tubos podem ser permanentemente posicionados dentro do casco: cabeça (cabeçote ou espelho) fixa; Outra configuração permite que o conjunto de tubos possa ser removido para limpeza ou manutenção: cabeça flutuante (floating- head) ou tubo em U. Existe um grande número de configurações comercialmente disponíveis. Trocadores de calor casco e tubo Classificação de acordo com o número de passagens (passos) envolvidos no escoamento nos lados do casco e dos tubos Tanto o fluido que escoa no lado do casco quanto o que escoa no lado dos tubos pode sofrer mais de uma passagem ao longo do trocador de calor. No lado dos tubos isto é conseguido através do uso de tubos-U ou pela partição do cabeçote (espelho). O número passagens no lado dos tubos é, em geral, de 1, 2, 4 ou 6. Múltiplas passagens no lado do casco podem ser obtidas particionando o casco com uma chicana longitudinal. Trocadores de calor casco e tubo Trocador 1 - 2 Uma passagem no casco Duas passagens nos tubos T-Calor 1-1 T-Calor 1-2 Trocadores de calor casco e tubo Duas passagens no lado Tubo (U-type) Duas passagens no lado Tubo (divisão do cabeçote) Uma passagem: 1-1 Simulação do escoamento utilizando-se fluidodinâmica computacional Trocadores de calor casco e tubo Trocadores de calor casco e tubo MLDT – em configurações mais complicadas (Múltiplos passes – Fluxo Cruzados) A relação obtida para MLDT é válida para trocadores de calor em contracorrente ou concorrente, com igual número de passagens no casco e no tubo (1-1, 2-2, ...). Trocadores com diferentes números de passagens, uma das passagens estará em contracorrente enquanto a outra estará em paralelo. Para estes trocadores complexos (múltiplas passagens, fluxos cruzados) a dedução não é simples e foge ao escopo deste curso (detalhes devem ser consultados no Kern). Para estes casos, o calor transferido é calculado usando-se um fator de correção (F) aplicado à MLDT para o caso de escoamento contracorrente. Obtido na forma de GRÁFICOS Trocadores de calor casco e tubo q = U.A.F.TMLDT Tm – uma média corrigida para outras configurações Tml,cc é a diferença média de temperatura para o caso de escoamento contracorrente com as mesmas temperaturas de entrada e saída da configuração “complicada”. O fator de correção (F) é sempre menor que 1 para trocadores de fluxos cruzados ou múltiplos passes. O valor limite de F=1 corresponde ao T-calor em contracorrente. Portanto, o valor de F em um T-calor é uma medida do desvio da TMLDT do caso contracorrente simples. Trocadores de calor casco e tubo O fator de correção F para os casos mais comuns de escoamento cruzado e em múltiplos passes é obtido nas figuras a seguir, expressas em função de duas razões de temperatura: P e R efeq efsf TT TT P ,, ,, - - efsf sqeq TT TT R ,, ,, - - F P R Encontra F A água, a uma vazão de 45500 kg/h, é aquecida de 80 até 150 ºC em um trocador de calor que possui dois passes no casco e oito passes nos tubos, com uma área superficial de 925 m2. Gases quentes de exaustão, que possuem aproximadamente as mesmas propriedades termofísicas do ar, entram no trocador a 350 ºC e o deixam a 175 ºC. Determine o coeficiente global de transferência de calor. Exemplo 5 Exemplo 6 Um trocador de calor casco e tubos (dois passes no casco e quatro passes no tubo) é usado para aquecer 10000 kg/h de água pressurizada de 35 ºC a 120 ºC, utilizando 5000 kg/h de água pressurizada que entra no trocador a 300 ºC. Sendo U = 1500 W/m2.K, determine a área de transferência de calor requerida. Assuma que a temperatura de saída da corrente quente é de aproximadamente 150 ºC. Trocadores de calor casco e tubo Método da Efetividade – NUT para análise térmica de trocadores de calor NUT NUT (a) Correntes Paralelas (b) Contracorrente Trocadores de calor casco e tubo NUT NUT (c) Um passe no casco e dois, quatro, seis, etc. passes nos tubos (d) Dois passes no casco e quatro, oito, doze, etc. passes nos tubos
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