Petrobras - transcal - aprestentação 7

Prévia do material em texto

1
1
TROCADORES DE CALOR 
BITUBULARES
Capítulo 6
04/2009
2
Capítulo 6
6.1. Conceito
6.2. Estrutura
6.3. Componentes Mecânicos
6.4. Aplicações
6.5. Vantagens e Desvantagens
6.6. Comportamento Termofluidodinâmico
2
3
6.1. Conceito
Trocadores de calor bitubulares
(Double-pipe heat exchangers)
A unidade básica de um trocador de calor
bitubular consiste em um tubo inserido
concentricamente no interior de um tubo externo
de maior diâmetro.
Alternativamente, é possível substituir o
tubo interno por um pequeno feixe de tubos.
4
6.1. Conceito
- Trocadores de calor bitubulares são
também chamados na literatura de trocadores de
calor de tubo duplo ou trocadores de calor de
tubos coaxiais.
���� Observações:
3
5
6.2. Estrutura
Estrutura:
Entrada de fluido
Região anular
Saída de fluido
Região anular
Entrada de fluido
Tubo interno
Saída de fluido
Tubo interno
6
- Os trocadores de calor bitubulares são
muitas vezes construídos na forma de estruturas
denominadas grampos (hairpins):
���� Observações:
6.2. Estrutura
4
7
Fonte:
www.specialized-mechanical.com/products/alco_...
6.2. Estrutura
8
6.2. Estrutura
Fonte:
http://ocw.kfupm.edu.sa/user/ME43701...
5
9
Fonte:
http://www.graham-hart.com/heatexchangers2.html
6.2. Estrutura
10
Fonte:
http://www.kmitl.ac.th/foodeng/new/img/Equipments
6.2. Estrutura
6
11
6.2. Estrutura
Fonte:
www.ritai-fermenter.com/double-pipe-heat-exch...
12
6.2. Estrutura
Fonte:
www.mak.etu.edu.tr/dersler/mak485/docs/MAK485-Lec6f07.ppt
7
13
6.2. Estrutura
Fonte:
www.mak.etu.edu.tr/dersler/mak485/docs/MAK485-Lec6f07.ppt
14
6.3. Componentes Mecânicos
Os próximos slides apresentam exemplos de
dimensões padronizadas de unidades bitubulares
organizadas na forma de grampos (Filtration &
Transfer Ltd.).
Nesta unidades, os comprimentos disponíveis
são 5 ft, 10 ft, 15 ft, 20 ft e 25 ft.
8
15
6.3. Componentes Mecânicos
Unidades com tubo simples – Diâmetros do
tubo externo de 2 in a 4 in:
Shell OD Shell thk Tube OD Tube thk Nf (max) Lf
60.3 3.91 25.4 2.77 20 11.1
88.9 5.49 25.4 2.77 20 23.8
88.9 5.49 48.3 3.68 36 12.7
101.6 5.74 48.3 3.68 36 19.05
101.6 5.74 60.3 3.91 40 12.7
114.3 6.02 48.3 3.68 36 25.4
114.3 6.02 60.3 3.91 40 19.05
114.3 6.02 73.0 5.16 48 12.7
(dimensões em mm)
16
6.3. Componentes Mecânicos
Tube OD Tube thk Ntt Nf (max) Lf
19.02 2.11 7 0 0
22.2 2.11 7 0 0
25.4 3.4 7 0 0
19.02 2.11 7 16 5.33
22.2 2.11 7 20 5.33
(dimensões em mm)
Unidades multi-tubulares – Diâmetro do
tubo externo 4 in (114.3 mm OD e 6.02 mm thk):
9
17
6.3. Componentes Mecânicos
Tube OD Tube thk Ntt Nf (max) Lf
19.05 2.11 19 16 5.33
19.05 2.11 14 16 5.33
25.4 2.77 7 20 12.7
(dimensões em mm)
Unidades multi-tubulares – Diâmetro do
tubo externo 6 in (168.3 mm OD e 7.11 mm thk):
18
6.3. Componentes Mecânicos
Tube OD Tube thk Ntt Nf (max) Lf
19.05 2.11 19 16 8.64
22.2 2.11 19 16 7.11
25.4 2.77 19 20 5.33
19.05 2.11 19 16 7.11
22.2 2.11 19 20 5.33
(dimensões em mm)
Unidades multi-tubulares – Diâmetro do
tubo externo 8 in (219.1 mm OD e 8.18 mm thk):
10
19
6.4. Aplicações
Trocadores bitubulares podem ser
considerados como alternativa aos trocadores
casco-e-tubos para serviços pequenos, p.ex.
inferiores a 500 kW (~0,4 MMkcal/h) ou 50 m2.
Situação particularmente interessante para a
utilização de trocadores de calor bitubulares
envolve a presença de uma grande interseção de
temperatura (temperature cross).
20
6.4. Aplicações
Se um dos fluidos estiver associado a um
coeficiente de película muito baixo em relação ao
outro (e.g. 1:2), uma alternativa possivelmente
interessante envolve a utilização de trocadores
aletados (finned tubes).
Neste caso, a corrente associada à resistência
dominante é acomodada na região anular, de tal
forma que o tubo interno recebe externamente
aletas longitudinais.
11
21
6.5. Vantagens e Desvantagens
Devido à sua característica modular, é
possível aumentar ou reduzir a área de
transferência de calor disponível para a execução
do serviço com relativa facilidade.
Adicionalmente, a possibilidade de
configurações de escoamento entre os grampos em
série e/ou paralelo aumenta as alternativas
operacionais.
���� Flexibilidade:
22
Em função do escoamento longitudinal na
região anular, não há a possibilidade de regiões de
estagnação (ao contrário do escoamento no lado do
casco em trocadores de calor casco-e-tubos).
No caso de trocadores bitubulares aletados,
uma vez que a temperatura das aletas é inferior à
temperatura dos tubos, há uma redução da
tendência à formação de depósitos favorecidos pela
temperatura.
���� Deposição:
6.5. Vantagens e Desvantagens
12
23
Para serviços a pressão elevada, como os
diâmetros dos tubos que compõem os trocadores
bitubulares são menores, a espessura da parede é
sensivelmente reduzida.
���� Serviços a alta pressão:
6.5. Vantagens e Desvantagens
24
Em geral, trocadores bitubulares estão
associados a um custo por unidade de área mais
elevado.
���� Custo:
6.5. Vantagens e Desvantagens
13
25
Trocadores bitubulares demandam um
maior espaço físico por unidade de área quando
comparados com trocadores casco-e-tubos.
���� Espaço físico:
6.5. Vantagens e Desvantagens
26
6.6. Comportamento Termofluidodinâmico
Os cálculos termofluidodinâmicos de
trocadores de calor bitubulares envolvem a
avaliação da transferência de calor e da perda de
carga relativas ao escoamento no interior do tubo
interno e na região anular entre o tubo interno e o
tubo externo.
14
27
Regime laminar:
���� Coeficiente de convecção :
Parede com T constante66,3=Nu
Condições plenamente 
desenvolvidas
Solução das equações de conservação :
6.6.1. Tubo interno
28
Regime laminar:
���� Coeficiente de convecção :
Comprimento de entrada 
combinado
14,03/1
/
PrRe
86,1 











=
wDL
Nu
µ
µ
Validade:
16700Pr48,0 <<
75,9/0044,0 << wµµ
Parede com T constante
( ) ( ) 2/)/Pr/(Re 14,03/1 ≥wDL µµ
Correlação de Sieder e Tate :
6.6.1. Tubo interno
15
29
Regime turbulento:
���� Coeficiente de convecção :
Correlação de Dittus-Boelter :
Validade: 10000Re ≥
n
Nu PrRe023,0 8,0=
160Pr7,0 ≤≤
10/ ≥DL
0,4 para aquecimento
0,3 para resfriamento
onde n = 
6.6.1. Tubo interno
30
Regime turbulento:
���� Coeficiente de convecção :
Correlação de Gnielinski :
Validade:
)1(Pr)8/(7,121
Pr)1000)(Re8/(
3/22/1 −+
−
=
f
f
Nu
2000Pr5,0 ≤≤
6105Re2300 ⋅<<
6.6.1. Tubo interno
16
31
���� Queda de pressão :
m
w
it
it g
v
D
L
f
g
P
−






=
µ
µ
ρ
∆
2
2
,
,
Observação: Este resultado não leva em conta as perdas de carga nos acidentes
associados a diferentes trocadores bitubulares acoplados.
2100Re,25,0
2100Re,14,0
<=
≥=
m
m
6.6.1. Tubo interno
32
���� Queda de pressão :
1311Re,Re/64 ≤=f
Regime laminar :
Regime de transição :
3380Re1311,0488,0 <<=f
Regime turbulento :
3380Re,
Re
056,1
014,0
42,0
≥+=f
6.6.1. Tubo interno
17
33
w
c
eq
P
A
D 4=
6.6.2. Região anular
No caso da região anular (duto com seção
reta não circular), os resultados anteriores
relativos a tubos cilíndricos podem ser estendidos
através do conceito de diâmetro equivalente:
34
Diâmetro equivalente – superfície não aletada:
44
22
t
tt
s
c
D
N
D
A
π
−
π
=
tttsw DNDP π+π=
6.6.2. Região anular
18
35
No caso de um tubo interno único (Ntt = 1):
)(
)4/4/(
4
22
ts
ts
eq
DD
DD
D
π+π
π−π
=
)(
))((
)(
)( 22
ts
tsts
ts
ts
eq
DD
DDDD
DD
DD
D
+
−+
=
+
−
=
tseq DDD −=
6.6.2. Região anular
36












++−=
244
22
f
fff
t
tt
s
c
r
LtN
D
N
D
A
ππ
]2[ fffftttsw tNLNDNDP −++= ππ
6.6.2. Região anular
Diâmetro equivalente – superfície aletada:
Observação: Aletas soldadas em forma de U (em 
geral, rf = 3tf
19
37
6.6.2. Região anular
Observação: Aletas soldadas em forma de U
ft
fL
fr
38
Fator de atrito para região anular :
500Re,Re/64 ≤=f
Regime laminar :
Regime de transição :
10000Re500,
Re
656,32
02696,0
93,0
<<+=f
Regime turbulento:
10000Re,
Re
178,0
1865,0
≥=f
6.6.2. Região anular
20
39
Superfície sem aletas:
6.6.3. Coeficiente global de transferência
eee
efitet
i
if
ii AhA
R
Lk
DD
A
R
Ah
UA
1
2
)/ln(1
1
,,,,
++
π
++
=
40
Superfície com aletas:
6.6.3. Coeficiente global de transferência
eeoeo
efitet
i
if
ii AhA
R
Lk
DD
A
R
Ah
UA
ηηπ
1
2
)/ln(1
1
,,,, ++++
=
21
41
Superfície com aletas:
6.6.3. Coeficiente global de transferência
bft AAA +=
ttffetfft NtNDLNA )](2[ , −+= π
Área por unidade de comprimento
42
O cálculo da eficiência das aletas (ηηηηf) para
avaliação da eficiência global da superfície (ηηηηo)
deve levar em conta o coeficiente de convecção
considerando os depósitos.
fR
hh
+=
1
'
1
Superfície com aletas:
6.6.3. Coeficiente global de transferência
22
43
Considerando aletas longitudinais típicas de
trocadores de calor bitubulares, a expressão para o
cálculo da eficiência pode ser simplificada para:
c
c
f
mL
mL )tanh(
=η
Eficiência:
onde L e m correspondem a:
kt
h
kA
Ph
m
c
'2'
≈=2/tLLc +=
6.6.3. Coeficiente global de transferência
44
Trocadores de calor bitubulares podem ser
organizados considerando diversos arranjos entre
diferentes unidades individuais: série-série,
paralelo-paralelo e série-paralelo.
6.6.4. Arranjos
23
45
Exemplo: Série - Série
6.6.4. Arranjos
46
Exemplo: Paralelo - Paralelo
6.6.4. Arranjos
24
47
Exemplo: Série - Paralelo
6.6.4. Arranjos
48
Para facilitar os cálculos envolvendo
diferentes arranjos de trocadores bitubulares, são
disponibilizados na literatura gráficos para a
determinação do fator de correção da LMTD.
6.6.4. Arranjos
25
49
6.6.4. Arranjos
Fonte:
http://ocw.kfupm.edu.sa/user/ME43701...