Perda Da Carga Trocador de Calor

7/27/2019 Perda Da Carga Trocador de Calor

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ESCOLA DE ENGENHARIA DE PIRACICABAFundação Municipal de Ensino de Piracicaba

Curso de Engenharia MecânicaTurma 1 – Noturno

200080100 César Henrique Durer

200080124 Rodolfo da Silva B. Granelli200080134 Jocilene Cristina Durer 200080261 Valter Bonifácio Costa

PROJETOTROCADOR DE CALOR CASCO E TUBO

Piracicaba24/11/2011



ESCOLA DE ENGENHARIA DE PIRACICABAFundação Municipal de Ensino de Piracicaba

Curso de Engenharia MecânicaTurma 1 – Noturno

200080100 César Henrique Durer 200080124 Rodolfo da Silva B. Granelli200080134 Jocilene Cristina Durer 200080261 Valter Bonifácio Costa

PROJETOTROCADOR DE CALOR CASCO E TUBO

Projeto de um trocador de calor casco-tubo

apresentado para avaliação da Disciplina

Sistemas Térmicos do 8º semestre do Curso

de Engenharia Mecânica da Fundação

Municipal de Ensino de Piracicaba sob

orientação do Prof. Dr. Paulo Figueiredo.

Piracicaba24/11/2011



Sumário

1.0 Objetivo ............................................................................................................. 4

2.0 Condições e necessidade do projeto ................................................................ 4

3.0 Memorial de cálculo .......................................................................................... 4

3.1.1 Média logarítmica da diferença de temperatura ............................................. 4

3.1.2 Cálculo do coeficiente de correção para trocadores de calor com correntes

cruzadas e passes múltiplos ................................................................................... 5

3.1.3 Transferência de calor e área de troca ........................................................... 5

3.1.4 Cálculo do número de tubos ........................................................................... 5

3.1.5 Cálculo do diâmetro do feixe de tubos ........................................................... 6

3.1.6 Dimensionamento das chicanas ..................................................................... 63.1.7 Cálculo do coeficiente de película do lado do tubo ........................................ 8

3.1.8 Perda de carga no tubo .................................................................................. 9

3.1.9 Cálculo do coeficiente de película do lado do casco .................................... 10

3.1.10 Cálculo da perda de carga no lado do casco ............................................. 12

3.1.11 Cálculo do U global .................................................................................... 14



4

1.0 Objetivo

O objetivo deste projeto é de realizar o dimensionamento termo-hidráulico

de um trocador de calor casco e tubo, de modo que atinja as condições

necessárias de projeto.

2.0 Condições e necessidade do projeto

As condições do projeto são as seguintes: Em uma instalação petrolífera,

existe a necessidade de resfriar de 90°C para 60°C, um fluxo de 50 ton/h de água

desmineiralizada, à pressão atmosfera. Para tanto deverá ser utilizada água do

mar que, para efeito de projeto, deverá ser admitida a 18°C, e sua temperatura

não deverá exceder 40°C. Tal trocador de calor deverá ser do tipo casco e tubo,

com uma concepção otimizada economicamente e que seja a mais compacta

possível face às limitações de espaço de instalação.

3.0 Memorial de cálculo

Para a execução dos cálculos foi utilizado um programa elaborado pelos

alunos, chamado Projeto trocador de calor casco e tubo.xls. Tal programa foi

elaborado a fim de facilitar os cálculos e automatizá-los.

Dados de entrada Água desmineiralizada Água salgadaTemperatura de entrada 90,0 °C 18,0 °CTemperatura de saída 40,0 °C 40,0 °CFluxo de massa 13,89 kg/s 33,0 kg/sCalor específico 4,178 kJ/kgK 3,997 kj/kgK

3.1.1 Média logarítmica da diferença de temperatura



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3.1.2 Cálculo do coeficiente de correção para trocadores de calor com correntes cruzadas e passes múltiplos

Temperatura gua salgada gua desmineiralizadaEntrada 18,0 °C 90,0 °CSaída 40,0 °C 40,0 °C

Fluído no casco: Água salgada

Fluído no tubo: Água desmineiralizada

3.1.3 Transferência de calor e área de troca

Foi adotado U igual a 1014,793 W/m²K.

3.1.4 Cálculo do número de tubos

Diâmetro externo do tubo igual a ¾” e comprimento adotado do trocador decalor igual a 3m.

O trocador será de 4 passes, dessa forma, o número de tubos por passe

será de:



6

3.1.5 Cálculo do diâmetro do feixe de tubos

Foi calculado primeiramente o número de tubos na fileira central do feixe,para uma disposição triangular tem-se:

Após o cálculo do número de tubos na fileira central do feixe, adota-se o

valor de s, que é o passe, de acordo com a tabela abaixo:

Diâmetro externo do tubo

(pol)

Passo

Diâmetro externo

Triangular Quadrado

¾ 1,25 – 1,33 1,33

1 1,25 1,25

1 ½ 1,31 1,31

> 1 ½ 1,25 1,25

Dessa forma, foi adotado s igual a 0,0318m.

O diâmetro do feixe de tubos foi calculado pela fórmula abaixo:

3.1.6 Dimensionamento das chicanas

Primeiramente dimensiona-se o corte da chicana, que é 25% do valor do

diâmetro do casco, ou seja, 0,22 m. Após isso, calcula-se o espaçamento interno,

cujo menor valor permitido pelo TEMA é 1/5 do diâmetro do casco ou 2 polegadas,

adotando-se sempre o maior dos dois valores. Para este caso, foi calculado o

valor de 0,1778 m.

Foram adotados bocais com classe de pressão de 150#. Através de figuras,

foram obtidos os fatores de distância mínima entre o espelho e a primeira chicana

que, para este caso será igual a 5,8 polegadas ou 0,15 m e também os fatores de



7

distância mínima entre o espelho e a última chicana, que é igual a 11,9 polegadas,

ou seja, 0,30 m.

O diâmetro das conexões dos bocais será de 8 polegadas, conforme tabela

abaixo:

Diâmetro interno do casco (pol) Diâmetro das conexões (pol)

Menor que 12 2

12 – 17 ¼ 3

19 ¼ – 21 ¼ 4

23 ¼ – 29 6

31 – 37 8

Acima de 39 10

Dessa forma, a distância mínima entre o espelho e a chicana de entrada

será de:

Da mesma maneira, a distância mínima entre o espelho e a chicana de

saída será de:

A quantidade de chicana foi dimensionada pela fórmula abaixo, de modo

que serão 14 chicanas.

O diâmetro interno do casco é 0,889 m, adotado com base na tabela

abaixo:

Diâmetro

interno do

casco - Di

Df

Espelho fixo e

tubos em U

Cabeçote

flutuante com

caixa de

Cabeçote

flutuante

“Pull

Cabeçote

flutuante anel

bipartido



8

gaxeta externa through”

10,02 9,62 8,32 6,42 8,02

12,09 11,67 10,59 8,49 10,04

13,38 12,95 11,88 9,78 11,30

15,25 14,81 13,75 11,65 13,11

17,25 16,79 15,75 13,65 15,06

19,25 18,78 17,75 15,65 17,00

21,25 20,75 19,75 17,65 18,96

23,00 22,50 21,50 19,40 20,66

27,00 26,46 25,50 23,40 24,56

31,00 30,43 29,50 27,40 28,45

35,00 34,40 33,50 31,30 32,33

39,00 38,37 37,50 35,30 36,25

42,00 41,34 40,50 38,25 39,14

48,00 47,30 46,50 44,20 45,04

51,00 50,27 49,50 47,20 47,93

54,00 53,24 52,50 50,10 50,83

60,00 59,21 58,50 56,00 56,72

A espessura do espelho foi calculada pela fórmula abaixo:

3.1.7 Cálculo do coeficiente de película do lado do tubo

Primeiro foi determinado o tipo de escoamento, recomenda-se que o

mesmo seja turbulento, para que haja maior troca térmica. Para uma velocidade

de 0,49 m/s, viscosidade dinâmica de 528x10-6 N.s/m² e peso específico igual a

1.000 kg/m³, calculou-se o número de Reynolds, de forma que se menor que

2.000, o escoamento é laminar, se estiver entre 2.000 e 4.000, o escoamento é

misto e por último, se o mesmo for maior que 4.000, o escoamento é turbulento.



9

Após o cálculo para se definir o tipo de escoamento, determina-se o número

de Prandtl através de tabela, sendo o mesmo igual a 4,968. Através de tabelas

também, determina-se a condutividade térmica do fluido no interior dos tubos, a

qual é 0,619 W/mK.

Com esses valores estabelecidos, pode-se calcular o número de Nusselt e

a coeficiente de película do lado do tubo.

3.1.8 Perda de carga no tubo

A perda de carga devido o atrito foi calculada conforme as fórmulas abaixo:

O cálculo da perda de carga no cabeçote foi realizado com base na fórmula

abaixo:

Após o cálculo da perda de cargo no cabeçote, foi calculada a perda de

carga nos bocais, conforme pode ser visto:



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Finalmente, foi calculada a perda de carga total:

3.1.9 Cálculo do coeficiente de película do lado do casco

Após o cálculo da área, foi calculado o número de Reynolds para o casco,

para se determinar o tipo de escoamento. Através de tabelas, foi determinada a

viscosidade dinâmica, que é igual a 0,0008164 N.s/m². Conforme pode ser visto

abaixo, o escoamento é turbulento.

O cálculo do coeficiente de película ideal é feito pelas fórmulas abaixo,

onde a1, a2, a3 e a4 são constantes das equações, determinadas através de tabela:

Para a determinação do coeficiente de película do lado do casco, há a

necessidade de se calcular uma séria de fatores de correção, conforme pode ser

visto abaixo:



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O fator Jc leva em consideração que o escoamento no casco não é apenas

cruzado, mas também ocorre através de janelas, permitindo o cálculo de um valor

global médio válido para todo o trocador.

Jl é o fator de correção para o efeito dos vazamentos casco-chicana e

tubos-chicana na transferência de calor.



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Jb é o fator de correção para o efeito dos desvios do escoamento cruzado

principal. O valor de Cb foi adotado, e vale 1,25 para escoamento turbulento. Foi

adotado somente um par de tiras selantes, de forma que N ss seja igual a 1. Em

cálculos usuais admite-se que Np é igual a zero.

O Jr , fator de correção para gradiente adverso de temperatura em

escoamento laminar é igual a 1, pois para valores de Reynolds acima de 100, o

escoamento no casco é turbulento.

Js é o fator de correção que leva em conta o fato de que as chicanas de

entrada e saída podem estar espaçadas diferentemente das chicanas

intermediárias, para poder acomodar os bocais de entrada e de saída do casco.

Tal fator foi calculado pelas equações abaixo, sendo Nb o número de chicanas.

Após a determinação dos fatores de correção, calcula-se o coeficiente depelícula do lado do casco pela fórmula abaixo:

3.1.10 Cálculo da perda de carga no lado do casco

Para se calcular a perda de carga no lado do casco do trocador de calor

casco e tubo, foram utilizadas as fórmulas abaixo.

Primeiramente, calcula-se a perda de pressão numa janela. O método

considera para efeito de cálculo um fluxo de massa baseado na média geométrica

da área da seção de escoamento.



13

Dessa forma, a perda de carga total no escoamento pela janela é:

Calcula-se também a perda de carga nas regiões de entrada e de saída do

caso. O valor de m adotado é igual a 1,6, pois o escoamento no casco é

turbulento.



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Após esses cálculos, precisa-se calcular a perda de carga no escoamento

cruzado, dessa forma:

Após todos os cálculos acima, pode-se calcular a perda de carga total no

casco, que é:

3.1.11 Cálculo do U global

Após todos os cálculos deve-se fazer a verificação do U global, de forma

que ocorre um erro menor que 3% entre o adotado e o calculado.



15

A condutividade térmica do material (aço) é obtida através de tabelas, e a

mesma vale 52 W/m.K. Os coeficientes de rugosidades do lado do casco e do lado

do tubo são respectivamente 0,0002 m² °C/W e 0,0001 m² °C/W. Dessa forma, o U

foi calculado conforme equação abaixo:

Fazendo a comparação com o U adotado no inicio do projeto, pode-se

observar um erro de 1%, ou seja, o projeto esta Ok.

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