Coeficiente Global de Transferência de Calor e Projetos Térmicos em Trocadores de Calor

3 COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR U Capítulo 2 EQUAÇÃO DE PROJETO TÉRMICO DE TROCADORES DE CALOR q taxa de transferência de calor W A área de troca térmica m² Tml diferença média de temperatura ºC ou K U coeficiente global de transferência de calor Wm²K UA condutância térmica WK Indica os fenômenos de transferência de calor condução e convecção em um trocador de calor q UA Tml 1 Taxa de transferência de calor q Por relações da termodinâmica balanço de energia na corrente de fluido Relacionam a taxa de calor com as variações de entalpia para sistemas abertos e não adiabáticos com simples correntes de fluidos Troca de calor sensível monofásico T q mc p Troca de calor latente bifásico vaporização ou condensação q milv q UA Tml Propriedades dos fluidos cp k Na temperatura média TmTeTs2 Se não conhecer a temperatura de saída Ts pegar as propriedades na temperatura de entradaTe e depois corrigir ou supor uma temperatura méiaTm Na mudança de fase Usar a entalpia de vaporização condensação ilv na temperatura ou pressão de saturação Exemplos de aplicação do balanço de energia para cálculo de q 1 Um trocador de calor duplotubo deve aquecer água de 20 a 50 ºC e a uma taxa de 08 kgs com uma corrente de óleo a 80ºC e vazão mássica de 10 kgs Determine a taxa de calor trocado e a temperatura de saída do óleo 2 Vapor dágua de uma central termoelétrica é condensado a uma pressão de 24 bar por uma corrente de água A água entra no condensador a 22 ºC e deixa o equipamento a 30 ºC A vazão de água é de 2000 Lmin a Qual a taxa de calor transferido b Qual a taxa de condensação do vapor 2 Coeficiente Global de Transferência de Calor U Resistências térmicas de convecção e condução tubo e e i i A h 1 kL 2 ri re ln A h 1 1 UA Produto UA condutância térmica Uf Af Uq Aq Cálculo do U Depende de estar baseado na área superficial do lado frio ou do lado quente Uf Uq Af Aq Para trocadores de calor a área de referência costuma ser dimensionada como a externa q UA Tml 1 Coeficiente Global Limpo UL se aplica somente a superfícies limpas e sem aletas Para trocadores tubulares e e i i e L h 1 kL 2 ri ln re A h A A 1 U quando a espessura da parede for pequena e a condutividade térmica for alta a resistência do tubo pode ser desprezada 𝑈𝐿 1 1 ℎ𝑖 1 ℎ𝑒 2 Resistência controladora É a maior resistência térmica que influenciará diminuindo o valor do U Por exemplo Com relação às resistências de convecção h R Controla o tamanho do trocador Podese usar tipo diferente de trocador de calor mudar o projeto nas condições de operação usar superfícies com aletas no lado da resistência controladora ex no lado do gás h Processo h Wm2K Convecção Natural Gases 225 Líquidos 501000 Convecção Forçada Gases 25250 Líquidos 5020000 Convecção com mudança de fase 2500 100000 2 Fatores de incrustação Durante a operação normal as superfícies do TC ficam sujeitas a incrustações de impurezas dos fluidos à formação de ferrugem e outras reações sobre as superfícies de troca térmica Este efeito é tratado introduzindo uma resistência adicional no cálculo de U a resistência de incrustação Rf 4Coeficiente Global de Projeto ou sujo Dimensionamento maior do que o inicial para que cumpra a função desejada durante um certo tempo de serviço ou fe e e i e fi i i e P R h 1 πkL 2 ri ln re A A A R h A A 1 U f e e i i e P R h 1 kL 2 ri ln re A h A A 1 U Rf Fator de Incrustação deve ser estimado de tabela de valores padrão ou da experiência Durante a operação o valor da incrustação cresce de zero superfície limpa até o valor de tabela à medida que os depósitos se acumulam Tabela 1 Fatores de Incrustação Rf m2 KW Temperatura do de Aquecimento Meio Até 115 C 115 205 C Temperatura água 50 C 50C Velocidade água 1 ms 1 ms 1 ms 1 ms Tipos de água Destilada 00001 00001 00001 00001 Do Mar 00001 00001 00002 00002 Salobra 00004 00002 00005 00004 Potável ou de poço 00002 00002 00004 00004 De Rio 00005 00004 00007 00005 Dura 00005 00005 00009 00009 Alimentação caldeira 00002 00001 00002 00002 Líquidos Gasolina líquida oleo gás liquefeito de petróleo 00002 00004 Óleos vegetais 00005 Soluções básicas 00004 Refrigerantes amônia 00002 Metanol etanol e soluções de etilenoglicol 00004 Gases Natural 00002 00004 Vapores de solventes 00002 Vapor dágua sem presença de óleo 00001 Vapor dágua com presença de óleo 00003 00004 Ar comprimido 00002 Amônia 00002 FATOR DE LIMPEZA CF L P U U CF tot f L P R U 1 U 1 CF U 1 CF R L tot f ULRf tot 1 1 CF sujo P U U Conhecendo UL e CF Conhecendo UL e Rftot Tabela 2 Valores representativos do Coeficiente Global de TC U Fluido Quente Fluido Frio U Wm2K Água Água 1000 2500 Amônia Água 1000 2500 Gases Água 10 250 Orgânicos leves Água 370 730 Orgânicos pesados Água 25 370 Vapor dágua Água 1000 3500 Vapor dágua Amônia 1000 3500 Vapor dágua Gases 25 250 Vapor dágua Orgânicos leves 500 1000 Vapor dágua Orgânicos pesados 30 300 Orgânicos leves Orgânicos leves 200 400 Orgânicos pesados Orgânicos pesados 50 200 Orgânicos leves Orgânicos pesados 50 200 Orgânicos pesados Orgânicos leves 150 300 Orgânicos Leves Líquidos orgânicos com viscosidade abaixo de 00005 kgsm Orgânicos Pesados Líquidos orgânicos com viscosidade superior a 0001 kgms Unisinos Profa Jacqueline Copetti Tubular aquecimento e resfriamento Gases à pressão atmosférica dentro e fora dos tubos 535 Gases à alta pressão dentro e fora dos tubos 150500 Líquido por fora dentro e gás à pressão atmosférica dentro fora dos tubos 1570 Gás à alta pressão dentro e líquido fora dos tubos 200 400 Líquidos dentro e fora dos tubos 150 1200 Vapor fora e líquido dentro dos tubos 300 1200 Tubular condensação Vapor fora e água de resfriamento dentro do tubos 1500 4000 Vapores orgânicos ou de amônia fora e água de resfriamento dentro dos tubos 300 1200 Tubular vaporização Vapor fora e líquido altamente viscoso dentro do tubosconvecção natural 300 900 Vapor fora e líquido pouco viscoso dentro do tubosconvecção natural 600 1700 Vapor fora e líquido dentro do tubosconvecção forçada 900 3000 Escoamento cruzado resfriamento a ar Resfriamento de água 600 750 Resfriamento de líquidos de hidrocarbonetos leves 400550 Resfriamento de alcatrão 3060 Resfriamento de ar ou gases de combustão 60180 Resfriamento de hidrocarbonetos gasosos 200450 Condensação de vapor à baixa pressão 700850 Condensação de vapores orgânicos 350500 Placas Líquidolíquido 10004000 Espiral Líquidolíquido 7002500 Vapor condensandolíquido Ex Um trocador de calor duplo tubo é construído de aço inoxidável k151 WmK tubo interno de diâmetro interno de 15 cm e externo de 19 cm e um tubo externo de 32 cm de diâmetro interno para a troca de calor entre dois fluidos O coeficiente de transferência de calor é de 800 Wm²K em relação ao fluido e superfície interna do tubo e 1200 Wm²K em relação superfície externa do tubo tal como indicado na figura Determine a O coeficiente global limpo b A resistência térmica total considerando os fatores de incrustação associados ao fluido do tubo interno e do tubo externo como indicado na figura c O coeficiente de transferência de calor global sujo em relação à área de superfície externa Existe alguma resistência controladora d Qual o fator de limpeza e Se o coeficiente de transferência de calor convectivo interno variar de 200 a 2000 Wm²K como irá variar o U