Trocadores de Calor Bi Tubulares

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Trocadores de calor
bi-tubulares
Trocadores de calor bi-tubulares
Figura : Trocador de calor bi-tubulares.
Trocadores de calor bi-tubulares
Projeto térmico e hidráulico para o tubo interno
A perda de carga e o coeficiente de convecção são determinados por
meio das correlações clássicas de escoamento em condutos. Por ex., a
perda de carga pode ser calculada pela equação de Fanning
∆P = 4f L
di
ρU2m
2
= 4f
L
di
G2
2ρ ,
onde
- f é o fator de atrito de Fanninga,
- di é o diâmetro interno do tubo interno,
- G é a vazão mássica por unidade de área.
aNão confundir com a equação da Darcy, há um fator 4 entre ambas!
Trocadores de calor bi-tubulares
Projeto térmico e hidráulico para o tubo anular
A perda de carga e o coeficiente de convecção podem ser determinados
por meio das correlações clássicas de escoamento em condutos
introduzindo o diâmetro equivalente hidráulico Dh e térmico Dt:
Dh = 4
(Área do escoamento)
(Perímetro molhado)
,
Para o projeto hidráulico e térmico devem ser considerados diferentes
perímetro molhado. Assim para o cálculo hidráulico
Dh = 4
4Ac
Ph
,
enquanto que para o cálculo térmico
Dt = 4
4Ac
Pt
,
Trocadores de calor bi-tubulares
Projeto térmico e hidráulico para o tubo anular
No caso de um tubo duplo, sem aletas, onde o tubo interno tem um
diâmetro externo do e o tubo externo um diâmetro interno Di, o
cálculo do diâmetro hidráulico
Dh =
4
(
πD2i
4 −
πd2o
4
)
πDi + πdo
= Di − do,
enquanto que para o cálculo térmico, o diâmetro equivalente térmico é
dado por
Dt =
4
(
πD2i
4 −
πd2o
4
)
πde
=
D2i − d2o
do
Trocadores de calor bi-tubulares
Cálculo do número de hairpins e perda de carga
Exercício:
Água com uma vazão mássica de 5000kg/h de ser esquentada de 20◦C
a 35◦C por água quente a 140◦C. É permitido uma queda de 15◦C na
água quente. Um número de trocadores bi-tubulares com 3,5m de
comprimento e com diâmetros Di = 0,0779m, di = 0,0525m e
de = 0,0603m em contra-corrente conectados em série será utilizado.
A água quente escoa no tubo interno. Assumindo coeficientes de
incrustação Rfi = 0,000176m2K/W , Rfe = 0,000352m2K/W , que o
tubo interno é de aço carbono (k = 54W/m.K) e que o trocador está
isolado termicamente, pede-se:
1.- Calcular o número de trocadores bi-tubulares (hairpins),
2.- Calcular a perda de carga.
Trocadores de calor bi-tubulares aletados
TC bi-tubulares aletados
Trocadores de calor bi-tubulares aletados
Projeto térmico e hidráulico para o tubo anular
No caso de um tubo duplo aletado, o perímetro molhado hidráulico do
tubo anular com aletas longitudinais de espessura δ e comprimento
Hf é
Ph = π(Di + doNt) + 2HfNfNt,
onde Nf é o número de aletas e Nt é o número de tubos.
Enquanto que o perímetro molhado térmico do tubo anular é dado por
Pt = πdoNt + 2HfNfNt,
A área do escoamento no espaço anular, neste caso, é dado por
Ac =
π
4
(
D2i − d2eNt
)
− δHfNfNt,
Trocadores de calor bi-tubulares aletados
Cálculo térmico para um TC bi-tubular aletado
Em um TC de tubo duplo de comprimento L, as áreas não aletada Au
e aletada Af são dadas por
Au = 2Nt (πdoL−NfLδ) ,
Af = 2NtNfL (2Hf + δ) ,
Por tanto, a área total externa de transferência de calor é
At = Au +Af = 2NtL (πdo + 2NfHf ) ,
Trocadores de calor bi-tubulares aletados
Cálculo térmico para um TC bi-tubular aletado
Para o cálculo do coeficiente de transferência de calor global baseado na 
área externa do tubo interno deve ser substituído Ae por At,
Uo =
1
At
Ai
1
hi
+ At 
Ai
Rf i + AtRcond + 
Rfo
ηo , + 
1
ηoho
onde
ηo = 1− (1− ηf ) Af
At
,
e a eficiência da aleta η é calculada como
η = tanh (mHf )
mHf
, m =
√
2h
δkf
.
Finalmente, a carga térmica de um TC de tubo duplo aletado é:
Q = UNhpAt∆Tm
onde Nhp é o número de hairpins.
Trocadores de calor bi-tubulares
Cálculo do número de hairpins e perda de carga
Exercício:
Deve-ser resfriar óleo com água de mar usando um TC bi-tubular aletado.
O óleo de máquina tem uma vazão mássica de 3kg/s e deve ser resfriado de
65◦C a 55◦C com água de mar a 20◦C. A temperatura de saída da água de
mar é limitada a 30◦C fluindo no tubo interno. Os seguintes dados de
projeto foram selecionados:
1.- Comprimento de hairpin = 4,5m
2.- Diâmetro interno do tubo anular Di = 0,0525m
3.- Diâmetro do tubo interno, di = 0,02093m, do = 0,02667m
4.- Altura da aleta, Hf = 0,0127m
5.- Espessura da aleta, δ = 0,9mm
6.- Número de aletas por tubo = 30
7.- Tubo de aço carbono (k = 52W/m.K)
8.- Número de tubos dentro do espaço anular, Nt = 1.
Fatores de incrustação devem ser incluídos no cálculo do coeficiente de
transferência de calor global. Calcular: a área de transferência de calor, o
número de hairpins, a perda de pressão e a potência das bombas.