Relatório Trocador de calor

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS
Departamento de Engenharia Mecânica
Pamela Bettcher Mascarenhas
Pedro de Carvalho Avelar
Pedro Henrique Antônio Santos
TROCADOR DE CALOR
Belo Horizonte
 2016
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS
Pamela Bettcher
Pedro de Carvalho Avelar
Pedro Henrique Antônio Santos
TROCADOR DE CALOR: 
Relatório técnico de Laboratório de Sistemas Térmicos
Belo Horizonte, novembro de 2016
SUMÁRIO
1	INTRODUÇÃO	3
1.1	Objetivo Geral	3
1.2	Objetivos Específicos	3
2	REVISÃO BIBLIOGRÁFICA	4
3	METODOLOGIA	6
3.1	Materiais	6
3.2	Procedimentos	6
4	RESULTADOS	9
4.1	Análise dos Resultados	10
5	CONCLUSÃO	11
REFERÊNCIAS	12
INTRODUÇÃO
O processo de troca de calor entre dois fluidos que estão a diferentes temperaturas e se encontram separados por uma parede sólida ocorre em muitas aplicações de engenharia. O equipamento usado para implementar essa troca é conhecido por trocador de calor, e suas aplicações específicas podem ser encontradas no aquecimento de ambientes e no condicionamento de ar, na produção de potência, na recuperação de calor em processos e no processamento químico.
Objetivo Geral
Determinar experimentalmente a efetividade do trocador de calor com o fluido nos tubos para o mesmo fluxo e para o fluxo contrário.
Objetivos Específicos
Avaliar as temperaturas de entrada e saída dos tubos de água fria e água quente e com isso esboçar as curvas Temperatura [°C] por Comprimento do tubo [m] para cada tipo de fluxo (correntes paralelas e contra correntes).
Medir a vazão das saídas dos tubos de água quente e de água fria, dando suporte para o cálculo da efetividade.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
 Tipos de trocadores de calor
Os trocadores de calor são classificados de acordo com os processos de transferência ou de acordo com o tipo de construção.
Classificação de acordo com os processos de transferência
Na classificação através dos processos de transferência, os trocadores de calor são divididos em outros dois subgrupos, os de contato indireto, e os de contato direto.
Nos de contato indireto os fluidos permanecem separados e o calor é transferido continuamente através de uma parede, realizando a transferência de calor. Esta transferência pode ser de forma direta ou de armazenamento, como se vê na Figura 1.
Figura 1 – Trocadores de calor de contato indireto: a) transferência direta e 
b) armazenamento
Na transferência direta, existe fluxo contínuo de calor do fluido quente ao frio através de uma parede que os separa, Figura 1: a, dessa forma não ocorre mistura entre os fluidos. Este tipo de trocador é conhecido como recuperador.
O trocador de armazenamento tem como característica a mesma passagem de troca de calor para os dois fluidos alternativamente, Figura 1: b. Quando ocorre aquecimento, o fluido quente atravessa a superfície de transferência de calor e a energia térmica é armazenada na matriz, sendo esta a superfície de transferência de calor, e quando o fluido frio passa, essa matriz libera a energia térmica. Com isso, os trocadores de armazenamento podem ser chamados de regeneradores.
Já nos trocadores de contato direto, os fluidos se misturam, como pode ser visto na Figura 2, por este fato, são limitados em casos onde o contato direto dos fluidos é permitido, sendo mais utilizados onde se tenha uma transferência de massa e de calor. Ao comparar os trocadores diretos com os regeneradores, de contato indireto, são alcançadas altas taxas de transferência de calor.
Figura 2 – Trocador de calor de contato direto
Classificação de acordo com o tipo de construção
Os trocadores de calor podem ser regenerativos, de superfície estendida, de placas, tubulares e etc, sendo que os mais utilizados são os tubulares e o de placas.
Os trocadores de calor do tipo placa são constituídos de placas lisas ou com ondulações, colocadas paralelas umas às outras, como pode ser visto na Figura 3. Normalmente são utilizados em pressões mais baixas que os tubulares.
Figura 3 – Trocador de calor do tipo placas
Os trocadores tubulares com tubos circulares, tendo aplicação na transferência de calor de líquidos e gases, quando se tem alta pressão e temperatura, podendo ser subdividido em trocadores de carcaça e tubo, ou tubo duplo ou serpentina.
Figura 4 – Carcaça e tubos
No de carcaça e tubo, Figura 4, um dos fluidos passa por dentro dos tubos e o outro pelo espaço entre a carcaça e os tubos, tendo vários tipos de construções, dependendo da transferência de calor desejada e outros parâmetros, como queda de pressão, desempenho, facilidade de limpeza, entre outros.
Figura 5 – Tubo duplo
O de tubo duplo é composto por dois tubos concêntricos, sendo que um dos fluidos escoa pela parte anular entre os tubos, em direção contra fluxo, e o outro pelo tubo interno, Figura 5.Este é considerado o trocador mais simples de todos, devido sua fácil manutenção e é comumente utilizado onde se tem pequenas capacidades.
Figura 6 - Serpentina
O de serpentina, Figura 6, é composto de um ou mais tubos circulares ordenados em uma carcaça. A transferência de calor neste tipo é mais alta que a em um tubo duplo, mas a limpeza é de grande dificuldade.
Coeficiente global de transferência de calor
Em um trocador multitubular, considera-se a transferência de calor entre os fluidos do casco e dos tubos de feixes, dessa forma, o calor trocado entre os fluidos através da superfície dos tubos é obtido considerando as resistências térmicas, definindo assim o coeficiente global de transferência de calor, .
Eq. 01
Sendo:
De = diâmetro externo do tubo interno [m];
𝐷i = diâmetro interno do tubo interno [m];
Método da Média Logarítmica das Diferenças de Temperatura (DTML)
Considerando uma área elementar , de troca de calor em um trocador de correntes paralelas, utiliza-se a equação a seguir.
Eq. 02
Onde:
Ae = área externa do tubo [m²];
De = diâmetro externo do tubo [m];
L = comprimento do tubo [m].
O método de média logarítmica das diferenças de temperaturas (DTML) pode ser definido por:
Eq. 03
Sendo:
MLDT = média logarítmica das diferenças de temperatura [°C];
 - diferença entre as temperaturas quente de entrada e fria de entrada (para o caso de correntes paralelas) e quente de entrada e fria de saída (para o caso de contra correntes);
 = diferença entre as temperaturas quente de saída e fria de saída (para o caso de correntes paralelas) e quente de saída e fria de entrada (para o caso de contra correntes).
Método da Efetividade (NUT)
O método da efetividade pode ser definido através das equações seguintes:
Eq. 04
Sendo:
= máxima transferência de calor possível em um trocador
Dessa forma tem-se:
Eq. 05
METODOLOGIA
Materiais
Conforme Figura 4 ilustrando a montagem da presente prática, observa-se os seguintes itens:
estrutura contendo os dois tubos; 
multímetro usado para coletar as temperaturas de entrada e saída dos tubos;
multímetro conectado à termorresistência de platina (Pt 100);
seletor dos termopares.
Figura 5 - Bancada utilizada para a prática
Além dos instrumentos perceptíveis na Figura 4, foram utilizados também uma proveta e um cronômetro, ambos utilizados para a medição da vazão de saída dos fluidos quente e frio.
Procedimentos
Primeiramente foi utilizada a termorresistência de platina para medir a temperatura ambiente. Transformando o valor medido pela termorresistência de platina (Ω) em um valor de temperatura em °C, aplica-se a seguinte equação:
Logo:
Para efeito da correção do valor encontrado, aplica-se a seguinte equação:
Após ser medida a temperatura ambiente, foram abertas as válvulas de água fria e água quente. Nas entradas e saídas dos tubos existem termopares tipo T que irão coletar as suas respectivas temperaturas. Para transformar o valor medido no termopar tipo T (mV) em um valor de temperatura (°C), usaremosa conversão presente no arquivo do Microsoft Excel passado pelo professor.
Após a transformação, devemos corrigir esse valor. Utilizaremos a seguinte equação:
Após medida as medidas das temperaturas de entrada e saída dos fluidos quente e frio, foi medida a vazão dos mesmos. Todo esse procedimento foi feito primeiro para o caso de correntes paralelas e depois para o caso de contra correntes.
Após realizado o experimento, serão feitos os cálculos e plotados os gráficos necessários. Primeiramente iremos construir os gráficos de Temperatura [°C] por Comprimento do tubo [m] para cada caso. Depois faremos os cálculos para determinar a efetividade. Primeiro calcularemos a área externa do tubo (), da seguinte forma:
Onde:
Ae = área externa do tubo [m²];
De = diâmetro externo do tubo [m];
L = comprimento do tubo [m].
Após o cálculo da área, iremos calcular a Média Logarítmica das Diferenças de Temperatura (MLDT), dada pela seguinte equação:
Onde:
MLDT = média logarítmica das diferenças de temperatura [°C];
 - diferença entre as temperaturas quente de entrada e fria de entrada (para o caso de correntes paralelas) e quente de entrada e fria de saída (para o caso de contra correntes);
 = diferença entre as temperaturas quente de saída e fria de saída (para o caso de correntes paralelas) e quente de saída e fria de entrada (para o caso de contra correntes).
O próximo passo é determinar o coeficiente global de troca de calor ().
Onde
De = diâmetro externo do tubo interno [m];
𝐷i = diâmetro interno do tubo interno [m];
De = posse dos valores da área externa do tubo, da média logarítmica das diferenças de temperatura e do coeficiente global de troca de calor, podemos calcular a taxa de transferência de calor.
Por fim, calcula-se a efetividade, conforme equação abaixo:
 
RESULTADOS
A Tabela 1abaixo apresenta as características dos tubos trocadores.
Tabela 1 – Dimensões dos tubos
	Øexterno (m)
	Øinterno (m)
	Comprimento (m)
	Área Externa (m²)
	0,012
	0,010
	2,40
	2,71E-04
A partir das características dos tubos trocadores, calculam-se as vazões dos fluidos para cada tubo de cada trocador de calor.
Tabela 2 – Vazões mássicas em Correntes Paralelas
	
	Água fria
	Água quente
	Volume (mL)
	37
	67
	Volume (m³)
	3,70E-05
	6,70E-05
	Intervalo de tempo
Δt (s)
	5
	5
	Vazão volumétrica
V (m³/s)
	7,40E-06
	1,34E-05
	Vazão mássica 
m (kg/s)
	3,68E-02
	6,66E-02
Tabela 3 – Vazões mássicas em Correntes Contrárias
	
	Água fria
	Água quente
	Volume (mL)
	40
	87
	Volume (m³)
	4,00E-05
	8,70E-05
	Intervalo de tempo
Δt (s)
	5
	5
	Vazão volumétrica
V (m³/s)
	8,00E-06
	1,74E-05
	Vazão mássica 
m (kg/s)
	3,98E-02
	8,64E-02
Em seguida, medem-se as temperaturas da água fria e quente na entrada e na saída do trocador, tanto para corrente paralela, quanto para corrente alternada. Para isso, foi medido a temperatura ambiente, segundo tabela abaixo.
Tabela 4 - Medição da temperatura ambiente
	
	Temperatura ambiente
	Lida (Ω)
	114
	Convertida (°C)
	36,36
	Corrigida (°C)
	36,19
Dessa forma, utilizando a ferramenta Excel dotada de equação pré-estabelecida, tem-se os seguintes valores de temperaturas:
Tabela 5 - Temperaturas – correntes paralelas
	Temp. de Entrada Água Fria
Tef
	Temp. de Entrada da Água Quente
Teq
	Temp. de Saída da Água Fria
Tsf
	Temp. de Saída da Água Quente
Tsq
	mV
	°C
	mV
	°C
	mV
	°C
	mV
	°C
	0,135
	39,6
	1
	59,8
	0,44
	46,8
	0,65
	51,7
Tabela 6 – Temperaturas – correntes contrárias
	Temp. de Entrada Água Fria
Tef
	Temp. de Entrada da Água Quente
Teq
	Temp. de Saída da Água Fria
Tsf
	Temp. de Saída da Água Quente
Tsq
	mV
	°C
	mV
	°C
	mV
	°C
	mV
	°C
	0,04
	37,4
	0,566
	49,8
	0,481
	47,8
	0,410
	46,1
Abaixo, seguem as médias para as Temperaturas da água fria e quente das correntes paralelas e contrárias:
	Correntes
	Paralelas
	Contrárias
	Média
Temp.
	Temp. Água Quente (°C)
	Temp. Fria
(°C)
	Temp. Água Quente
(°C)
	Temp. Fria
(°C)
	
	55,75
	43,2
	42,6
	95,9
FALTA TABELA COM TAXA DE TRANSFERENCIA DE CALOR TOTAL E EFETIVIDADE
Análise dos Resultados
CONCLUSÃO
A calibração dos instrumentos de medida de temperatura é de vital importância para a qualidade das medições. É através da calibração que se assegura a correspondência dos valores medidos com os valores padrões. Entretanto, muitos erros interferem nas medições e consequentemente na calibração desses instrumentos. Para a presente prática, nos medidores (termorresistência de platina e os termopares tipo K e T) temos erros inerentes aos próprios medidores somados com os erros dos multímetros usados.
Após as análises dos resultados, foi possível concluir que o Termopar Tipo T e os Termoresistores retornaram resultados bastante satisfatórios. Com isso, estará adequada a utilização das regressões lineares realizadas nos três sensores para futuras aferições com os mesmos. Para o Termistor NTC, a utilização da regressão linear não foi tão satisfatória, sendo assim recomendável a utilização de uma correção exponencial.
REFERÊNCIAS
INCROPERA, P.Frank, Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, Rio de Janeiro 2003.
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS. Pró-Reitoria de Graduação. Sistema Integrado de Bibliotecas. Orientações para elaboração de trabalhos científicos: projetos de pesquisa, teses, dissertações, monografias e trabalhos acadêmicos, conforma a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Belo Horizonte, 2016. Disponível em:
<http://www.pucminas.br/imagedb/documento/DOC_DSC_NOME_ARQUI20160217102425.pdf>. Acesso em 25 out. 2016
SCHNEIDER, Paulo Smith. Termometria e Psicrometria. Disponível em <http://www.ufrgs.br/medterm/areas/area-i/termometria.pdf>. Acessado em 07 de novembro de 2016.