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Centro Universitrio da FEI
Centro Universitrio da FEI - Campus SBC: Av. Humberto de Alencar Castelo Branco, 3972 - CEP 09850-901Bairro Assuno So Bernardo do Campo SP Tel: (11) 4353-2900 Fax: (11) 4109-5994
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUMICA
LABORATRIO DE ENGENHARIA QUMICA II
Arthur Nogueira Sampaio 11.109.725-0
Ana Thereza Milanelli da Silva 11.107.834-1
Nalu Galazo Grauer 11.107.077-7
Roger Kenji Pingtori 11.108.267-2
Renan Loureno Ramos 11.208.032-9
Thiago Echevarria Alvares 11.107.047-0
TROCADORES DE CALOR
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OBJETIVOS
Este experimento teve como objetivo obter experimentalmente os valores do coeficienteconvectivo de diferentes trocadores de calor, possibilitando analisar as influncias que agitao emudana de vazo tm em cada aparelho.
INTRODUO
O trocador de calor um dispositivo para a transferncia de calor entre um meio e outro.Tem a finalidade de transferir calor de um fludo para o outro, que se encontra em temperaturadiferente. Um trocador de calor inserido no processo com a finalidade de aquecer ou resfriar ofludo desejado. Os trocadores de calor so muito utilizados em aquecedores, refrigerao,condicionamento de ar, plantas qumicas, tratamento de guas residuais entre outras diversasaplicaes.
O uso e eficincia de um trocador de calor dependem de parmetros de confeco, como
(material, nmero de tubos, tipos de trocador) e operao (paralelo, contracorrente, fluido frio ouquente escoando nos tubos ou na carcaa). Um mesmo trocador pode operar de maneirasdiferentes, resultando em diferentes cargas trmicas trocadas entre os fluidos.
Os trocadores de calor podem ser do tipo casco e tubos, duplos tubos, de placas ou aindado tipo serpentina.
Trocador serpentina.
Tal trocador consiste em um cilindro no qual, em seu interior, h uma ou mais serpentinaordenadas em carcaa, na qual o fluido quente forado para que se aquea o fluido frio, que seencontra dentro do cilindro. A transferncia de calor associada a um tubo espiral mais alta quepara um duplo tubos. Este trocador possui uma jaqueta externa, para em casos desejados, o fluidoquente possa ser circulado pela mesma reduzindo a perda de calor para o ambiente. H tambm aopo de se acoplar um agitador ao topo do trocador de calor, visando assim aumentar aturbulncia do sistema e melhorar a troca trmica.
Este tipo de trocadores tem uma vantagem que seu uso do espao altamente eficiente.Este atributo muitas vezes alavancado e parcialmente realocado para ganhar outras melhoriasno desempenho. Um trocador de calor em espiral pode ser usado para ter uma menor ocupaonas instalaes, e, portanto reduz todos os custos de capital relacionados, ou um sobredimensionamento pode ser usado para ter-se menor queda de presso, menor energia debombeamento, alta eficincia e custos mais baixos de energia. A desvantagem deste trocadorseria a limpeza que muito problemtica e de difcil execuo devido a fatores comoincrustao, porm este tipo de trocadores possui um sistema de auto limpeza pelo qual assuperfcies sujas causam um aumento localizado da velocidade do fluido, aumentando assim a
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fora de arraste sobre a superfcie incrustada, contribuindo assim para retirar o bloqueio e manterlimpo o trocador.
Trocador Casco-Tubo
So trocadores mais utilizados em processos industriais ,usualmente, quando se necessita
de grandes reas para transmisso de calor. Este tipo de trocador consiste em tubos paralelos poronde circula um dos fludos, montados num casco cilndrico, no qual circula outro fludo.
Entre suas inmeras vantagens podemos citar: custos e desempenho trmico. Afinal soconstrudos com grandes superfcies de troca de calor em um volume relativamente pequeno,apresentando grande flexibilidade nas condies de projeto e operao (ampla faixa detemperatura e presso). So os mais usados para quaisquer capacidade e condies operacionais,tais como presses e temperaturas altas, atmosferas altamente corrosivas, fluidos muito viscosos,misturas de multicomponentes, etc. Estes so trocadores muito versteis, feitos de uma variedadede materiais e tamanhos e so extensivamente usados em processos industriais.
O trocador usado no laboratrio consiste em um casco e um feixe com sete tubos de aoinox . Os tubos possuem dimetro externo de 6,35 mm, espessura de 0,1 mm e comprimento de144 mm. A carcaa de acrlico com dimetro interno 40 mm. Dentro deste trocador, h trschicanas igualmente espaadas para aumentar a turbulncia do sistema, garantindo assim umamelhor eficincia na troca trmica. A configurao do trocador permite somente que a operaoseja realizada com uma passagem do fluido no casco e uma passagem do fluido nos tubos. Oreator possui um dimetro de 145,65 mm e uma altura de 112,9 mm.
Figura 1 - Trocador de calor casco e tubo. Foto acervo de parada 2008, Quattor.
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Trocador duplo-tubo
Tal trocador consiste em dois tubos concntricos no qual circulam fluido quente (tubointerior, para reduzir as perdas de calor com o ambiente) e fluido frio (tubo externo) numcomprimento total de 330 mm. O trocador do laboratrio apresenta tubo interno de ao inox
com dimetro externo de 4,5 mm e 0,6 mm de espessura, e o tubo externo de acrlico com 12 mmde dimetro externo e 3 mm de espessura. Este trocador pode ser configurado para operao emparalelo (no qual a entrada quente est na mesma extremidade da fria) ou contracorrente (na quala entrada da corrente quente est na extremidade oposta fria).
Figura 2 - Trocador de calor duplo-tubo.
Trocador serpentina
O material do reator de ao inox com dimetro interno de 4,93mm, externo de 6,35mme comprimento total de 1,15m. Este reator pode operar em regime de batelada ou contnuo. Almdisso, o sistema de agitao automatizado. Neste caso, o coeficiente de troca trmica do fluidoque se encontra no interior do reator ser influenciado pela agitao do sistema.
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Procedimento Experimental
Trocador serpentina em um sistema contnuo.
Instalaram-se as mangueiras no reator de forma que ele operasse de maneira contnua.Para minimizar as perdas de calor para o ambiente, o fluido quente passou- se no interior da
serpentina e o fluido frio passou-se dentro do casco, deste modo garante-se uma maior trocatrmica.
Aps ter-se instalado as mangueiras, ajustou-se no aparelho o setpoint do reservatrio defluido quente a uma temperatura de aproximadamente 65C. Estipulou-se uma vazo para ofluido quente e outra para o fluido frio e esperou-se que o regime permanente fosse atingidoatravs da anlise dos grficos de temperatura em funo do tempo gerados pelo software.
Utilizou-se apenas um valor de vazo para cada fluido, anotaram-se os valores dastemperaturas de entrada e sada e verificou-se a quantidade de energia perdida ou ganha para oambiente. Para as mesmas vazes dos fluidos, variou-se a agitao do sistema em velocidades
diferentes e aguardou-se o regime permanente. Os valores das temperaturas dos fluidos foramanotados.
Trocador serpentina em um sistema batelada.
Foram instaladas as mangueiras no trocador de forma que o mesmo operasse em paralelo.A seguir, ajustou-se o setpointdo reservatrio de gua quente a uma temperatura de cerca de 65C. Estipulou-se uma vazo para o fluido quente e uma vazo tambm para o fluido frio eesperou-se que o regime permanente fosse atingido atravs da anlise dos grficos detemperatura em funo do tempo gerados pelo software.
Aps o equilbrio, anotaram-se as vazes reais de cada fluido e as temperaturas de
entrada e sadas do sistema, verificando-se tambm a quantidade de energia perdida ou ganhapara o ambiente. A seguir, mantendo-se a mesma vazo de fluido quente, variou-se em mais doisvalores a vazo de fluido frio, aguardando para todos que o regime permanente fosse atingido e,quando foi atingido, anotaram-se todos os valores de temperaturas.
Trocador de calor casco e tubo
As mangueiras foram instaladas no trocador de modo que operasse em contracorrente. Osetpointfoi ajustado para 65 C do reservatrio de gua quente. Foram estipulada 3 vazes tantopara fluido quente quanto para o frio, de modo que enquanto uma vazo era mantida fixa a outrasofria variao e vice-versa.
Com a ajuda de um software as temperaturas de entrada e sada, tanto do fluido quentequanto do frio, foram obtidas e os clculos abaixo foram desenvolvidos.
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Trocador duplo-tubo
As mangueiras foram instaladas no trocador de modo que operasse em contracorrente. Osetpointfoi ajustado para 65 C do reservatrio de gua quente. Foram estipulada 3 vazes tantopara fluido quente quanto para o frio, de modo que enquanto uma vazo era mantida fixa a outra
sofria variao e vice-versa. A mesma operao foi repetida para o sistema operando emparalelo.
Com a ajuda de um software as temperaturas de entrada e sada, tanto do fluido quentequanto do frio, foram obtidas e os clculos abaixo foram desenvolvidos.
DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS
A partir dos dados das propriedades fsicas coletadas do livro KERN, D.Q. Processos deTransmisso de Calor. Editora Guanabara Koogan, 1980; foram realizados os clculos para
todos os trocadores de calor. Como no h grande variao da temperatura de entrada dos fluidospara os diferentes trocadores, utilizou-se a seguinte tabela:
Tabela 1-Propriedades fsicas da gua a diferentes temperatura.
Propriedade dos fluidosguaQuente
gua Fria
(kg/s.m) 0,0005 0,001k
(W/m.K)
0,6663 0,6
cp(kJ/kg.K)
4,184 4,184
(kg/L) 1 1Te (C) 65 20
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Trocador de calor casco e tubos
Ao fazer o experimento com o trocador de calor casco e tubos, obtivemos os dados queesto representados na tabela 2.
Tabela2: Dados obtidos no experimento com trocador de calor casco e tubos.
Vazo dofluidoquente(L/min)
Vazo dofluido frio
(L/min)
Ts (fluidoquente)
Te (fluidoquente)
Te ( fluidofrio)
Ts (fluidofrio)
0.6 0.54 56.6 64.9 21.6 32.20.6 1.54 52.5 64.2 22.3 26.4
0.59 2.56 50.9 63.6 22.6 251.57 2.58 55.1 62.4 22.9 27.21.52 1.54 57.2 64.2 23 29.81.55 0.5 61 65.6 23 38.42.56 0.51 62 65.3 22.9 40.52.55 1.55 58.9 63.7 22.8 31.12.53 2.6 57.1 62.7 22.7 28.1
Para a realizao dos clculos foi necessrio conhecer algumas informaes do trocador,
essas informaes encontram-se na tabela 3.Tabela 3: Dados do trocador de calor casco e tubos
Trocador de Calor Casco e Tubos
Nmero de tubos 7
Nmero de passagens 1
Comprimento (m) 0,144
Dimetro externo do tubo interno (m) 0,00635
Dimetro interno do tubo interno (m) 0,00615
rea de troca trmica (m ) 0,00021
Assim, com os dados experimentais que foram coletados durante o ensaio e com os dadosdo trocador foi possvel a realizao dos clculos, que sero apresentados a seguir. Vale ressaltarque ser apresentado o clculo da primeira linha de dados.
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Para o clculo da quantidade de calor do fluido quente e do frio, utilizou-se o mtodo
abaixo.TcmQ PQuentetrocado )(
CCKg
kJ
sL
kgLQ QuenteQuentetrocado
3,8184,4
min
60
1
1
1
min60,0)(
skJQ Quentetrocado /34694,0)(
TcmQ PFriotrocado )(
CCKg
kJ
sL
kgLQ FrioFriotrocado
6,10184,4
min
60
1
1
1
min54,0)(
skJQ Friotrocado /398772,0)(
Com as quantidades de calor do fluido quente e do fluido frio calculadas, pode-se, ento,calcular a quantidade de calor perdida para cada ensaio.
)()( FriotrocadoQuentetrocadoPerdido QQQ skJ/051832,0
Calculou-se tambm o coeficiente global de transferncia de calor como mostrado
abaixo.
Ln
erimentalTA
QU
exp
4,97144,0000635,0
34694,0
CsmkJ ../835,1 2
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PQuente CVazoC
Ckg
kJ
sL
KgL
.184,4
min
60
1
1
1
min60,0
CskJCQuente ./042,0
PFrio CVazoC
Ckg
kJ
sL
KgL
.184,4
min
60
1
1
1
min54,0
CskJCFrio ./038,0
Com o calculo de Cquente e Cfrio possvel determinar o Cmin, que ser sempre o menor
valor entre eles. Como o Cfrio resultou em um valor menor, ele torna-se o Cmin.
Este Cmin usado para o clculo da efetividade.
inCinHmn TTCQ
,,
2,329,64038,034694,0
213,0
Feito isso, parte-se para o clculo do coeficiente de pelcula de transferncia de calor.
smkg
m
sKg
a
wG
t
./619,4700021,0
min601
min60,0
2
2
idGRe
0005,0
00615,0619,47 714,585
14,03154 PrRe027,0 wi
id
Kh
16663,0
0005,04184714,585027,0
00615,0
6663,0 31
54
ih
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CmWhi ./355,7012
Esse coeficiente de pelcula de transferncia de calor do tubo interno tem que sercorrigindo, sendo assim tem-se:
CmWd
dhh iii ./265,67900635,0
00615,0355,7012
0
0,
E por fim, calcula-se o coeficiente de transferncia de calor da seo anular.
oi
o
hU
h
,exp
11
1
265,679
1
1000.835,1
1
1
KmWho ./92,20442
Abaixo, nas tabelas 4 e 5, encontram-se os valores de todos os ensaios com seusrespectivos resultados.
Tabela 4: Resultados obtidos.
Qtrocador quente(KJ/s)
Qtrocador frio(KJ/s)
Qperdido (KJ/s) Uexperimental KJ/m2.s.C
0.347 0.399 -0.0518 0.510
0.489 0.440 0.0492 0.7180.522 0.428 0.0940 0.782
0.798 0.773 0.0256 1.179
0.741 0.730 0.0117 1.075
0.497 0.536 -0.0397 0.765
0.589 0.625 -0.0368 0.932
0.853 0.896 -0.0435 1.236
0.987 0.978 0.0089 1.423
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Tabela 5: Resultados obtidos
Cquente(KJ/s.C)
Cfrio(KJ/s.C)
G(Kg/m2.s)
Re hi(W/m2.C)
hi,0(W.m2.C)
h0(W/m2.C)
0.042 0.038 0.213 47.62 585.71 701.35 679.26 2044.92
0.042 0.107 0.109 47.62 585.71 701.35 679.26 -12493.680.041 0.178 0.071 46.83 575.95 691.99 670.19 -4677.060.109 0.180 0.112 124.60 1532.62 1514.04 1466.35 6016.920.106 0.107 0.168 120.63 1483.81 1475.34 1428.87 4335.880.108 0.035 0.335 123.02 1513.10 1498.59 1451.39 1616.600.178 0.036 0.391 203.17 2499.05 2238.77 2168.25 1634.100.178 0.108 0.193 202.38 2489.29 2231.77 2161.48 2884.440.176 0.181 0.136 200.79 2469.76 2217.75 2147.90 4214.27
Nesse ensaio foi possvel verificar que h dois valores de h0 que so negativos. Isso podeter ocorrido devido a um erro de leitura quando o experimento foi executado. Por tanto, parafeito de comparao esses valores sero desconsiderados.
Atravs da tabela pode-se verificar que ao aumentar a vazo do fluido frio e mantendo avazo de fluido quente, o coeficiente convectivo aumenta tambm.
Trocador tipo serpentina
Abaixo esto os dados da serpentina.
Tabela 6 - Dimenses da serpentina.
Dimenses do TrocadorL (m) 1,15do (m) 0,00635di (m) 0,00493A (m) 0,02294148at (m) 1,9089E-05
Trocador serpentinaContnuo
Para este trocador, coletou-se 45 pontos experimentais, os quais relacionavam diferentesrotaes (0%, 20%, 40%, 60% e 80%) com 3 vazes quentes e 3 vazes frias (0,5L/min,1,5L/min e 2,5L/min). Obteve-se ento, a tabela 7 abaixo:
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Tabela 7- Dados coletados para o trocador tipo serpentina em regime contnuo.
Vazo (L/min) Temperatura de entrada(C)
Temperatura de sada(C)
Rotao
[%]
T (C)
FluidoFrio
FluidoQuente
FluidoFrio
FluidoQuente
FluidoFrio
FluidoQuente
FluidoQuente
FluidoFrio
0,50 0,54 21,7 65,3 32,7 52,8 0 12,5 11,00,51 0,54 21,7 65,5 38,1 50,0 20 15,5 16,40,51 0,53 21,8 64,0 38,2 47,1 40 16,9 16,50,50 0,52 21,8 63,5 38,8 46,0 60 17,4 17,00,50 0,52 21,7 63,1 39,4 45,7 80 17,4 17,61,53 0,53 21,7 64,5 33,0 48,5 0 15,9 11,31,55 0,52 21,8 64,4 31,0 46,1 20 18,3 9,2
1,56 0,52 21,8 63,4 30,3 41,9 40 21,5 8,51,55 0,51 21,6 62,9 30,5 39,8 60 23,1 8,81,55 0,51 21,6 62,5 30,0 39,0 80 23,5 8,32,58 0,51 21,7 64,5 27,5 44,1 0 20,4 5,82,58 0,48 21,5 64,6 26,5 43,0 20 21,6 5,02,60 0,52 21,5 63,8 26,8 39,8 40 24,0 5,32,60 0,49 21,4 63,2 27,2 38,0 60 25,1 5,82,60 0,52 21,4 63,2 27,2 37,1 80 26,2 5,82,61 1,55 21,3 63,4 27,9 53,1 0 10,3 6,62,62 1,55 21,3 64,1 28,3 53,3 20 10,8 6,92,63 1,54 21,3 63,8 29,7 50,7 40 13,1 8,42,63 1,53 21,6 62,9 31,0 48,1 60 14,7 9,42,62 1,51 21,7 61,7 31,0 46,6 80 15,1 9,31,56 1,57 21,7 67,5 30,6 57,9 0 9,6 8,81,56 1,56 21,5 66,8 31,6 56,5 20 10,4 10,11,54 1,54 21,7 64,5 33,5 52,1 40 12,4 11,81,55 1,53 21,4 63,4 34,9 49,9 60 13,6 13,41,56 1,53 21,5 63,1 35,2 49,1 80 14,0 13,70,53 1,57 21,5 67,9 33,8 60,8 0 7,0 12,30,53 1,57 21,5 66,8 39,1 58,7 20 8,1 17,50,53 1,53 21,7 66,0 40,6 55,9 40 10,1 18,8
0,54 1,55 21,5 64,3 43,6 54,7 60 9,5 22,00,54 1,55 21,5 64,1 44,5 54,5 80 9,6 23,00,53 2,60 21,4 66,5 39,1 63,0 0 3,5 17,60,53 2,55 21,4 65,5 43,0 61,0 20 4,4 21,50,52 2,58 21,5 64,1 44,1 58,7 40 5,4 22,70,53 2,53 21,3 63,3 45,9 57,8 60 5,6 24,70,54 2,55 21,2 63,4 47,8 57,5 80 5,9 26,5
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1,56 2,58 21,1 66,2 38,3 61,6 0 4,6 17,11,56 2,58 21,2 65,1 34,7 59,7 20 5,4 13,51,58 2,54 21,1 62,7 35,2 55,3 40 7,5 14,11,56 2,53 21,2 61,6 35,8 52,7 60 8,8 14,61,57 2,47 21,1 60,5 36,7 51,6 80 8,9 15,5
2,58 2,54 20,9 65,6 28,7 59,1 0 6,5 7,82,59 2,58 21,0 66,0 28,6 58,8 20 7,2 7,62,59 2,56 21,0 63,7 30,5 55,2 40 8,4 9,52,59 2,48 21,0 61,0 31,4 51,5 60 9,5 10,42,61 2,47 21,1 57,6 30,9 48,2 80 9,3 9,8
A partir dos dados experimentais, calculou-se para a primeira linha da Tabela 3 oscalores, coeficiente global de transferncia de calor experimental e a efetividade :
( ) ( ) (
)
(
)
( ) ( ) (
)
(
)
( ) ( )(
)
(
)
-
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( ) ( )(
)
(
)
Para o clculo da efetividade, utiliza-se o menor valor de CPcalculado, portanto:
Tabela 8- Valores calculados para determinao da efetividade.
Q trocado (kJ/s) Qperdido
(kJ/s)
Tln(C)
Uexperiment
al(kJ/s.m.C
)
CPq(kJ/s.C
)
CPf(kJ/s.C
)
Cpmin(kJ/s.C
)
FluidoQuente
FluidoFrio
0,469155
0,384927
0,084228
30,38039
0,673133437
0,037386
0,035037
0,035037
0,306749
0,585009
0,578126
0,006883
24,47464
1,041897324
0,037795
0,035343
0,035343
0,378335
0,62127 0,579897
0,041373
21,33589
1,269253026
0,036773
0,035241
0,035241
0,417874
0,63746 0,591882
0,045578
19,71599
1,409330646
0,036569
0,034833
0,034833
0,438873
0,626776 0,617594 0,009182 18,62948 1,466528694 0,035956 0,035037 0,035037 0,4325470,58373
21,20631
4-
0,6225826,8701
90,9469382
910,03667
10,10694
90,03667
10,37257
10,66035
40,99301
4-
0,3326626,5335
11,0848271
940,03616
10,10817
50,03616
10,42889
90,77908
10,92167 -
0,1425923,5640
71,4411563
780,03626
30,10848
20,03626
30,51582
60,82099
80,95604
1-
0,1350421,4742
71,6664886
190,03554
80,10817
50,03554
80,55976
30,84142
8
0,90066
2
-
0,05923
21,1064
8
1,7377191
01
0,03575
2
0,10786
9
0,03575
2
0,57517
90,72587
71,04522
1-
0,3193427,7061
11,1420002
370,03565 0,17988
30,03565 0,47548
50,72971
30,89692
1-
0,1672127,6412
11,1507304
490,03381
10,18008
80,03381
10,50170
30,87183
30,96336
8-
0,0915324,8196
91,5311422
330,03636
50,18100
70,03636
50,56697
5
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
15/47
0,860506
1,042912
-0,18241
22,92172
1,636383597
0,03422 0,181007
0,03422 0,602339
0,949063
1,054718
-0,10565
22,13056
1,86930917
0,036263
0,181518
0,036263
0,625438
1,11660
5
1,19989
5
-
0,08329
32,9232
8
1,4783426
22
0,10837
9
0,18202
9
0,10837
9
0,24478
1,171495
1,265653
-0,09416
33,09509
1,542962488
0,108073
0,182539
0,108073
0,253425
1,40889 1,548861
-0,13997
30,50648
2,013092303
0,107664
0,183356
0,107664
0,307692
1,571061
1,719924
-0,14886
27,45556
2,494257431
0,106541
0,183459
0,106541
0,357396
1,597217
1,69727 -0,10005
25,89272
2,68883841
0,105519
0,182948
0,105519
0,37851
1,052343
0,959652
0,092692
35,7824 1,281936784
0,109401
0,108584
0,108584
0,211602
1,129299
1,094255
0,035044
34,09529
1,443753582
0,109095
0,108788
0,108788
0,229092
1,326249
1,269793
0,056456
29,03061
1,991348965
0,107358
0,10746 0,107358
0,288813
1,448982
1,453919
-0,00494
26,21333
2,409456869
0,106745
0,108277
0,106745
0,323256
1,497323
1,485941
0,011382
25,22744
2,587144956
0,106847
0,108686
0,106847
0,33725
0,768507
0,45069 0,317817
35,83339
0,934843152
0,109299
0,036773
0,036773
0,451001
0,88923 0,642822
0,246408
30,73362
1,261185481
0,109707
0,036671
0,036671
0,535143
1,076853
0,693093
0,38376 27,29681
1,719582716
0,106541
0,036773
0,036773
0,661218
1,029016
0,823302
0,205713
23,53072
1,906186893
0,108073
0,037386
0,037386
0,644215
1,036248
0,866346
0,169902
22,51129
2,006512374
0,108277
0,037591
0,037591
0,646696
0,629639
0,653605
-0,02397
33,3688 0,822488445
0,18162 0,03708 0,03708 0,377183
0,78884
7
0,80064
8
-0,0118 29,1507
4
1,1795649
98
0,17753
4
0,03718
2
0,03718
2
0,48170
70,965073
0,82852 0,136554
26,10361
1,611529395
0,179679
0,036569
0,036569
0,619811
0,983109
0,919361
0,063748
23,81472
1,79942918
0,176615
0,037284
0,037284
0,627197
1,052528
0,999374
0,053154
22,09915
2,076044693
0,178147
0,037693
0,037693
0,662666
0,82469 1,86273 - 33,0211 1,0886344 0,17967 0,10868 0,10868 0,16836
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
16/47
9 3 1,03803 3 58 9 6 6 40,96671
91,47140
1-
0,5046833,5664 1,2553771
650,17998
60,10878
80,10878
80,20243
71,32477
71,54707 -
0,2222929,5893 1,9515821
150,17733 0,11001
40,11001
40,28911
9
1,560901 1,585924 -0,02502 26,96816 2,522915267 0,176615 0,108992 0,108992 0,3550821,53230
61,70029
3-
0,1679925,2081
52,6496171
790,17242
70,10950
30,10950
30,35556
11,14828
71,39814
2-
0,2498537,0438
21,3511803
310,17681
90,18008
80,17681
90,14551
41,2992 1,36606
1-
0,0668637,0826
51,5271581
130,17978
10,18049
60,17978
10,16069
51,50571
71,71956
5-
0,2138532,8770
61,9963142
320,17824
90,18059
80,17824
90,19794
11,64107
8
1,86841
9
-
0,22734
28,9050
6
2,4747652
16
0,17324
4
0,18049
6
0,17324
4
0,23716
41,60903
21,77862 -
0,1695925,7091
22,7280734
680,17252
90,18213
10,17252
90,25603
2
Posteriormente, estimou-se os coeficientes de troca trmica hi, hi,o e ho.
(
)
( )
( )
(
)
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
17/47
( ) ()
Tabela 9 - Valores calculados para determinao do coeficiente de troca trmica.
G(kg/s.m)
Re hi(W/m.K)
hi,o(W/m.K)
ho(W/m.K)
468,0987 4615,453 4562,352 3542,109 831,0674473,2145 4665,895 4602,198 3573,045 1470,774460,4249 4539,79 4502,419 3495,579 1992,868457,867 4514,569 4482,397 3480,034 2368,528
450,1933 4438,906 4422,196 3433,296 2560,052
459,146 4527,179 4492,411 3487,808 1299,846452,7512 4464,127 4442,286 3448,893 1582,635454,0301 4476,737 4452,322 3456,685 2471,622445,0774 4388,464 4381,949 3402,048 3266,655447,6354 4413,685 4402,084 3417,681 3535,181446,3564 4401,074 4392,019 3409,867 1717,063423,3351 4174,085 4209,847 3268,432 1776,022455,3091 4489,348 4462,353 3464,472 2743,763428,451 4224,527 4250,497 3299,992 3245,988
454,0301 4476,737 4452,322 3456,685 4070,626
1356,975 13379,77 10689,96 8299,451 1798,7451353,138 13341,94 10665,77 8280,672 1896,3071348,022 13291,5 10633,5 8255,617 2662,2751333,953 13152,78 10544,63 8186,618 3587,1821321,164 13026,67 10463,67 8123,765 4019,0961369,764 13505,87 10770,49 8361,971 1514,0491365,927 13468,04 10746,35 8343,227 1745,867
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
18/47
1344,185 13253,66 10609,28 8236,814 2626,2851336,511 13178 10560,8 8199,174 3412,181337,79 13190,61 10568,89 8205,45 3778,486
1368,485 13493,26 10762,44 8355,724 1052,611373,601 13543,71 10794,62 8380,704 1484,598
1333,953 13152,78 10544,63 8186,618 2176,8191353,138 13341,94 10665,77 8280,672 2476,2011355,696 13367,16 10681,9 8293,193 2646,9292273,988 22421,52 16156,57 12543,61 880,20372222,829 21917,1 15865,13 12317,34 1304,4892249,687 22181,92 16018,3 12436,26 1851,4462211,319 21803,6 15799,37 12266,29 2108,7812230,503 21992,76 15908,93 12351,35 2495,4932249,687 22181,92 16018,3 12436,26 1193,0732253,524 22219,75 16040,16 12453,22 1396,116
2220,271 21891,88 15850,53 12306,00 2319,4132211,319 21803,6 15799,37 12266,29 3176,192158,881 21286,57 15498,93 12033,03 3397,7962213,877 21828,82 15813,99 12277,64 1518,2692250,966 22194,53 16025,59 12441,91 1740,8332231,782 22005,37 15916,23 12357,01 2380,9672169,113 21387,45 15557,67 12078,63 3112,4732160,16 21299,18 15506,28 12038,73 3527,414
Analisando os valores calculados, conclu-se que a rotao um fator importante para o
processo de transferncia de calor, pois com o aumento da agitao, h aumento na turbulnciado sistema melhorando a troca trmica, e consequentemente, obtm-se um valor mais alto docoeficiente de troca trmica h.
A perda de calor do trocador de calor para o meio ambiente mostrou-se desprezvelquando comparado com a troca de calor realizada pelos fluidos, sendo que em vrios casos essevalor foi negativo, ou seja, o reator estava roubando calor do ambiente ao invs de perd-lo;portanto sua desconsiderao nos clculos tericos no influencia significativamente noresultado final.
Com os valores do coeficiente de troca trmica global U, pode-se traar curvas deoperao para diferentes rotaes em funo das vazes de fluido quente, e vice-versa; afim dese estudar o comportamento do coeficiente global de troca trmica. Os dados foram ajustadospara uma equao polinomial de segundo grau.
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
19/47
Tabela 10 - Valores mdios utilizados na construo dos grficos abaixo.
Vazomdia de
FluidoQuente
(L/min)
U medio(kJ/s.m.C)
Rotao(%)
0,5259 0,9469 00,5186 1,0848 200,5215 1,4412 400,5098 1,6364 600,5156 1,7377 801,5674 1,2819 01,5645 1,4438 201,5396 1,9913 401,5308 2,4095 60
1,5322 2,5871 802,5767 1,0886 02,5781 1,2554 202,5562 1,9516 402,5327 2,4748 602,4741 2,6496 80
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
20/47
Figura 3 - Comportamento do coeficiente global de troca trmica em funo da rotao para diferentes vazes de
fluido quente.
A partir da equao de reta para a vazo de 1,5L/min de fluido quente mostrado na figura
3 acima, calculou-se o valor mdio de U para uma rotao de 50%, condies nas quais foirealizado o experimento em regime de batelada.
U = -2E-05.r2 + 0,0193.r + 1,2135
U = -2E-05.(50)2 + 0,0193. 50 + 1,2135
U = 2,1285 kJ/s.m.C
No grfico representado na figura 4, tem-se o comportamento dos valores mdios de Uem funo das vazes de fluido quente para cada rotao utilizada no ensaio.
y = -4E-05x2 + 0.014x + 0.9093
y = -2E-05x2 + 0.0193x + 1.2135
y = -3E-05x2 + 0.0239x + 0.9933
0.0000
0.5000
1.0000
1.5000
2.0000
2.5000
3.0000
0 20 40 60 80 100
U
(kJ/s.m
.C)
rotao(%)
Valores mdios de U x Porcentagem de rotao paradiferentes vazes de fluido quente
Vazo 0,5
L/min
Vazo 1,5
L/min
Vazo 2,5
L/min
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
21/47
Figura 4 - Comportamento do coeficiente global de troca trmica em funo da vazo de fluido quente para
diferentes rotaes.
y = -0.2502x2 + 0.8455x + 0.5715
y = -0.2569x2 + 0.8782x + 0.6985
y = -0.2848x2 + 1.1275x + 0.9307
y = -0.3421x2 + 1.4552x + 0.9835
y = -0.3928x2 + 1.6399x + 0.9966
0.0000
0.5000
1.0000
1.5000
2.0000
2.5000
3.0000
0.0000 1.0000 2.0000 3.0000
U
(kJ/s.m
.C)
Q (L/min)
Valores mdios de U x Vazo Quente para diferentesrotaes
Rotacao 0%
Rotacao 20%
Rotacao 40%
Rotacao 60%
Rotacao 80%
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
22/47
Trocador serpentinaBatelada
Para esta parte do experimento, fixou-se a rotao do agitador em 50% da mximarotao e fixou-se a vazo do fluido quente em 1,5L/min. O trocador ento teve seu volumecompletamente preenchido pelo fluido frio, e teve incio a passagem do fluido quente pela
serpentina, at que se atingisse o regime permanente.Como comparao, plotou-se uma curva de perfil de temperatura de sada terica em
funo do tempo, e outra curva para a temperatura real de sada do fluido frio, mostrando quehouve pouco desvio dos resultados experimentais com o terico.
Tabela 11- Dados coletados para o trocador tipo serpentina em regime batelada.
Tempo(s)
Vazo (L/min) Temperatura de entrada
(C)
Temperatura de sada
(C)
FluidoFrio FluidoQuente FluidoFrio FluidoQuente FluidoFrio FluidoQuente
1 0,01 1,36 21,8 63,9 26,5 35,26 0,00 1,47 21,9 66,3 27,2 49,011 0,01 1,46 22,4 67,3 28,4 49,616 0,00 1,47 22,2 66,4 29,3 50,021 0,01 1,47 22,5 65,4 30,2 50,026 0,00 1,47 22,9 64,5 31,0 49,8
32 0,01 1,45 23,1 63,7 32,2 49,936 0,00 1,48 23,2 63,7 32,9 50,141 0,01 1,46 23,4 63,5 33,6 50,346 0,01 1,47 23,6 63,7 34,4 50,751 0,00 1,48 23,7 63,8 35,0 51,356 0,01 1,48 23,7 64,0 35,5 51,561 0,01 1,46 24,0 64,0 36,2 51,766 0,00 1,47 24,1 64,1 37,1 52,571 0,01 1,46 24,2 64,2 37,7 52,676 0,01 1,46 24,3 64,4 38,2 53,1
810,01 1,48 24,4 64,6 39,2 53,4
86 0,01 1,49 24,5 64,6 39,5 53,891 0,01 1,50 24,7 64,7 40,4 54,196 0,01 1,48 24,8 65,0 41,0 54,7101 0,00 1,50 25,0 65,1 41,3 54,8106 0,01 1,51 25,0 65,1 42,0 55,3111 0,01 1,49 25,1 65,2 42,5 55,6116 0,01 1,49 25,1 65,5 43,1 56,1
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
23/47
121 0,01 1,51 25,3 65,7 43,6 56,4126 0,01 1,49 25,3 65,7 44,2 56,6131 0,01 1,51 25,4 66,0 44,7 56,9136 0,00 1,50 25,5 66,1 45,3 57,3141 0,01 1,50 25,6 66,0 45,5 57,6
146 0,00 1,50 25,5 66,1 46,1 58,0151 0,01 1,51 25,7 66,5 46,7 58,2156 0,01 1,50 25,6 66,7 47,1 58,3161 0,01 1,50 25,6 66,6 47,7 58,6166 0,01 1,51 25,6 66,7 48,0 58,9171 0,01 1,52 25,7 66,8 48,4 59,1176 0,01 1,52 25,8 67,0 49,2 59,4181 0,01 1,53 26,0 66,8 49,5 59,6186 0,01 1,54 25,8 66,9 49,8 59,6191 0,01 1,51 25,9 67,0 50,1 60,0
196 0,01 1,52 25,9 67,1 50,7 60,2201 0,01 1,52 26,1 67,0 51,0 60,2206 0,00 1,52 26,1 67,2 51,3 60,5211 0,00 1,54 26,1 67,4 51,7 60,8216 0,01 1,54 26,1 67,3 52,0 60,9221 0,01 1,53 26,2 67,3 52,7 61,3226 0,01 1,53 26,3 67,3 53,1 61,3231 0,01 1,51 26,4 67,4 53,2 61,6236 0,00 1,53 26,4 67,5 53,7 61,5241 0,01 1,53 26,4 67,1 53,8 61,5246 0,01 1,52 26,4 67,2 53,9 61,8251 0,01 1,53 26,4 67,1 54,5 61,8256 0,00 1,52 26,4 67,3 54,5 62,4261 0,01 1,55 26,4 67,3 54,9 62,2266 0,01 1,51 26,4 67,2 55,3 62,3271 0,01 1,53 26,6 67,0 55,7 62,6276 0,00 1,52 26,6 67,0 55,9 62,5281 0,01 1,52 26,7 67,0 56,0 62,6286 0,01 1,52 26,6 66,9 56,2 62,5291 0,01 1,53 26,7 67,2 56,6 62,8295 0,01 1,54 26,6 67,1 56,7 62,7
301 0,01 1,53 26,6 67,1 57,0 63,0306 0,01 1,53 26,8 66,9 57,4 62,9311 0,01 1,53 26,8 66,9 57,6 62,9316 0,01 1,53 26,8 66,9 57,7 63,3321 0,01 1,53 26,7 66,8 57,9 63,3326 0,01 1,53 26,8 67,0 58,0 63,1331 0,00 1,53 26,7 67,0 58,3 63,3
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
24/47
336 0,01 1,56 26,9 66,8 58,2 63,3341 0,01 1,54 26,8 66,9 58,7 63,5346 0,01 1,53 26,9 66,7 59,1 63,5351 0,01 1,53 26,9 66,6 59,1 63,4356 0,00 1,55 26,9 66,2 59,2 63,3
361 0,01 1,54 27,0 66,2 59,1 63,4366 0,01 1,53 27,1 66,1 59,6 63,4371 0,01 1,55 27,0 66,0 59,5 63,3376 0,01 1,56 27,1 66,2 59,8 63,3381 0,00 1,55 27,1 66,3 59,9 63,6386 0,01 1,55 27,1 66,2 60,0 63,6391 0,01 1,54 27,1 66,0 60,2 63,4396 0,01 1,54 27,1 65,5 60,4 63,5401 0,01 1,54 27,2 65,3 60,5 63,2406 0,01 1,51 27,1 65,5 60,5 63,1
411 0,01 1,53 27,2 65,6 60,7 63,3416 0,01 1,54 27,0 65,6 60,7 63,3421 0,01 1,51 27,2 65,8 60,8 63,5426 0,01 1,53 27,2 65,9 60,9 63,8431 0,01 1,54 27,2 66,0 61,1 63,7436 0,00 1,54 27,1 65,7 61,4 63,8441 0,01 1,54 27,2 65,6 61,4 63,7446 0,01 1,53 27,3 65,2 61,4 63,5451 0,01 1,55 27,1 65,0 61,3 63,3456 0,01 1,53 27,3 65,1 61,5 63,4461 0,01 1,48 27,2 65,2 61,7 63,4466 0,01 1,54 27,3 65,4 61,6 63,8471 0,01 1,52 27,2 65,5 61,7 63,7476 0,00 1,53 27,3 65,7 61,5 64,0481 0,01 1,52 27,2 65,9 61,7 64,0486 0,01 1,54 27,3 65,6 62,0 63,8491 0,01 1,54 27,2 65,3 62,3 63,8496 0,01 1,54 27,4 65,0 62,1 63,8501 0,01 1,52 27,4 64,8 62,1 63,7506 0,01 1,51 27,3 65,1 62,2 63,6511 0,01 1,53 27,3 65,2 62,1 63,9
516 0,01 1,52 27,4 65,2 62,5 64,0521 0,01 1,51 27,3 65,5 62,1 64,2526 0,00 1,53 27,4 65,6 62,3 64,3531 0,01 1,53 27,4 65,5 62,5 64,1536 0,01 1,51 27,5 65,3 62,5 64,1541 0,00 1,52 27,5 65,1 62,5 63,8546 0,01 1,53 27,3 65,0 62,7 63,9
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7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
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551 0,01 1,52 27,5 64,8 62,6 64,0556 0,01 1,54 27,5 65,0 62,5 63,9561 0,01 1,54 27,6 65,1 62,5 64,0566 0,00 1,52 27,4 65,3 62,6 64,2571 0,01 1,52 27,4 65,4 62,9 64,2
576 0,01 1,55 27,5 65,6 62,7 64,4581 0,01 1,53 27,6 65,4 62,9 64,3586 0,00 1,52 27,5 65,5 62,9 64,3591 0,00 1,54 27,5 65,1 63,1 64,3596 0,00 1,53 27,5 64,9 63,0 64,1601 0,00 1,52 27,6 64,9 63,3 64,0605 0,01 1,52 27,5 64,9 63,0 64,0611 0,01 1,51 27,5 65,1 63,1 64,1616 0,01 1,52 27,6 65,1 63,3 64,3621 0,01 1,51 27,7 65,0 63,1 64,3
626 0,00 1,51 27,5 64,8 63,0 64,0631 0,01 1,52 27,6 64,6 63,2 64,0636 0,01 1,54 27,6 64,6 63,2 64,1641 0,01 1,52 27,8 64,5 63,4 63,8646 0,01 1,54 27,6 64,7 63,3 64,0651 0,00 1,56 27,8 64,8 63,6 64,0656 0,01 1,51 27,6 65,0 63,4 64,2661 0,01 1,54 27,7 65,2 63,3 64,4666 0,01 1,51 27,6 65,4 63,5 64,5671 0,01 1,53 27,7 65,4 63,4 64,6675 0,01 1,52 27,7 65,0 63,6 64,5681 0,01 1,53 27,7 64,9 63,5 64,4686 0,01 1,53 27,8 64,9 63,6 64,3691 0,01 1,52 27,9 64,7 63,5 64,1695 0,01 1,52 27,8 64,6 63,6 64,2701 0,01 1,54 27,9 64,6 63,6 64,2706 0,01 1,54 27,8 64,6 63,7 64,3711 0,01 1,52 27,9 64,7 63,7 64,4716 0,01 1,53 27,7 64,8 63,8 64,4721 0,00 1,50 27,8 64,7 63,8 64,2726 0,01 1,51 27,9 64,5 63,7 64,1
731 0,01 1,53 27,8 64,4 63,6 64,3736 0,01 1,53 27,9 64,1 63,8 63,9741 0,01 1,50 27,8 64,0 63,7 64,1745 0,01 1,52 27,8 64,3 63,8 64,0750 0,01 1,55 27,9 64,4 63,8 64,1756 0,01 1,52 28,0 64,7 63,7 64,3761 0,01 1,51 28,0 64,6 63,5 64,2
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
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766 0,01 1,53 27,9 64,5 63,5 64,1771 0,01 1,51 28,0 64,5 63,9 64,2776 0,00 1,54 28,1 64,4 63,8 64,1781 0,01 1,53 28,0 64,4 63,8 64,1786 0,01 1,53 28,2 64,5 63,8 64,1
791 0,00 1,53 27,9 64,8 63,5 64,3796 0,01 1,53 28,1 65,1 63,7 64,4801 0,01 1,53 28,0 65,2 63,6 64,3806 0,01 1,52 28,1 65,0 63,9 64,5811 0,00 1,52 28,2 64,8 63,9 64,3815 0,01 1,53 28,0 64,8 63,9 64,4820 0,01 1,54 28,1 64,7 63,9 64,2
Analogamente a experincia anterior, determinou-se efetividade utilizando-se as mesmas
equaes.A partir da equao abaixo, e com os dados da tabela 8, pode-se calcular o valor da
temperatura terica de sada do fluido frio.
t
cm
cm
cm
AUTTTT
cpc
HpH
HpH
eceHeHsc ..
.
.
.exp1exp
,
,
,
,,,,
Clculo da primeira linha da tabela para determinao da temperatura:
C99,211.184,4.88,1
184,4.0254,0
184,4.0254,0
0229,0.1285,2exp1exp8,219,639,63,
scT
Tabela 12Valores mdios utilizados no clculo de Tc,s.
Valores mdios
U exp(kJ/s.m.C) 2,1285
m quente(Kg/s)
0,025415039
m frio (Kg/s) 1,88
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
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Tabela 13Valores calculados para determinao da efetividade e temperatura terica de sada do fluido frio.
T (C) Qtrocadoquente(kJ/s)
Tln(C)
Uexperimenta
l(kJ/s.m.C)
CPq(kJ/s.C)
Cpmin(kJ/s.C)
Tsada,frio
terica(C)
Fluido
Quente
Fluid
o Frio
28,7 4,7 2,718685
21,17213
5,597225839
0,094692
0,094692
0,682135
21,98634
17,3 5,3 1,77241 31,71941
2,435665491
0,102251
0,102251
0,390539
23,22986
17,7 6,1 1,80511 31,60394
2,489664613
0,101842
0,101842
0,394137
24,75949
16,4 7,1 1,67922
5
30,9444 2,36540390
7
0,10235
3
0,10235
3
0,37127
1
25,5997
615,4 7,7 1,572702
29,88081
2,294206767
0,102251
0,102251
0,35877 26,76497
14,6 8,1 1,497811
28,66828
2,277372228
0,102251
0,102251
0,352941
27,9877
13,8 9,1 1,39882 27,5064 2,216698791
0,101229
0,101229
0,340964
29,11222
13,6 9,6 1,401314
27,22358
2,2437207 0,102863
0,102863
0,33655 29,88318
13,2 10,2 1,338603
26,76019
2,180425741
0,101536
0,101536
0,328467
30,79836
12,9 10,7 1,32571 26,4548 2,184352504
0,102455
0,102455
0,323171
31,82701
12,5 11,3 1,28707 26,45807
2,120423551
0,102966
0,102966
0,311436
32,68054
12,5 11,8 1,288402
26,29167
2,136052185
0,103476
0,103476
0,309466
33,51855
12,3 12,2 1,25062 25,87663
2,106668317
0,101638
0,101638
0,307317
34,45997
11,6 13,0 1,187999
25,78963
2,007934728
0,102659
0,102659
0,289377
35,31926
11,6 13,5 1,18351
5
25,4263
6
2,02893531
8
0,10184
2
0,10184
2
0,29024
4
36,0903
911,3 13,9 1,14755
425,4443
81,96589264
90,10174 0,10174 0,28136
436,8946
411,1 14,7 1,15084
625,0041 2,00624747
60,10337
40,10337
40,27737
237,7323
610,8 15,0 1,12941
925,0929
41,96192311
90,10419
10,10419
10,26974
538,4574
4
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
28/47
10,6 15,7 1,115593
24,59239
1,977349341
0,104804
0,104804
0,26553 39,261
10,3 16,2 1,063985
24,69889
1,877744669
0,103272
0,103272
0,255758
40,05933
10,3 16,3 1,07570
1
24,4476
4
1,91793152
9
0,10490
6
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0,104702
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-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
29/47
1 2 1 6 6 9 86,7 25,2 0,71446 21,3571
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9
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9
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70,10776
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20,10613
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70,10633
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558,3978
3
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
30/47
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3
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-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
31/47
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70,10684
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10,10541
70,10541
70,0323 62,6609
9
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
32/47
1,3 35,0 0,134219
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0,540320879
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4
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7
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9
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1,1 34,9 0,120224
11,31875
0,462989298
0,107052
0,107052
0,029909
62,8363
1,2 35,2 0,124374
11,29661
0,479909088
0,106132
0,106132
0,030928
63,06774
1,2 35,5 0,129805
10,92113
0,518087836
0,106337
0,106337
0,032092
63,21251
1,2 35,3 0,126409
11,62673
0,473912086
0,107869
0,107869
0,030769
63,41073
1,1 35,3 0,11988 10,85897
0,481211391
0,106745
0,106745
0,029754
63,2876
1,2 35,4 0,124613
11,01545
0,493105913
0,106337
0,106337
0,030848
63,4235
0,9 35,6 0,094178
10,39904
0,394761873
0,107154
0,107154
0,023346
63,15026
0,9 35,5 0,09355 10,11409
0,403174999
0,106439
0,106439
0,023499
63,01634
0,9 35,7 0,098368
9,314018
0,460356448
0,10603 0,10603 0,024837
63,06612
0,9 35,5 0,09346 9,992122
0,407704805
0,106337
0,106337
0,023499
63,05186
1,0 35,5 0,10778 10,02156
0,468791462
0,105111
0,105111
0,027308
63,29433
0,8 35,7 0,088098
10,02156
0,383185876
0,106132
0,106132
0,022107
63,38725
0,8 35,4 0,082277
10,33862
0,346893711
0,105315
0,105315
0,020915
63,34148
0,9 35,5 0,092742
9,856962
0,410119174
0,105519
0,105519
0,023529
63,18789
0,6 35,6 0,06711 9,40021
1
0,31119057
8
0,10572
4
0,10572
4
0,01712
8
63,0459
50,5 35,6 0,057498
9,527828
0,263051272
0,107052
0,107052
0,014512
63,03858
0,7 35,6 0,072412
8,197763
0,385027514
0,105928
0,105928
0,018617
62,99135
0,7 35,7 0,078407
9,119529
0,374766234
0,107052
0,107052
0,019737
63,25695
0,8 35,8 0,08475 8,24915 0,44783254 0,10848 0,10848 0,02110 63,3462
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
33/47
1 2 2 2 80,8 35,8 0,08742 9,32333
90,40871112
40,10531
50,10531
50,02219
363,5622
10,8 35,6 0,08903
110,1339 0,38294994
20,10725
60,10725
60,02213
563,7889
9
0,9 35,8 0,097515 10,06078 0,422491342 0,105111 0,105111 0,02458 64,009770,7 35,7 0,07825
710,7422
50,31754688
20,10684
70,10684
70,01943 64,0452
0,6 35,9 0,062247
9,727849
0,278919002
0,106234
0,106234
0,015686
63,74161
0,5 35,8 0,057279
9,566002
0,261001533
0,106643
0,106643
0,014436
63,63824
0,6 35,8 0,067693
9,119529
0,323557718
0,106643
0,106643
0,017105
63,72111
0,6 35,6 0,06736
9
8,91987
6
0,32921562
5
0,10613
2
0,10613
2
0,01721
9
63,5636
30,4 35,8 0,04137
88,74130
30,20633499
40,10592
80,10592
80,01062
463,4435
30,3 35,7 0,03676
48,72331
50,18370678
10,10756
20,10756
20,00932
163,4317
0,4 35,9 0,041817
8,581744
0,212400758
0,107052
0,107052
0,01061 63,5525
0,4 35,8 0,041298
9,073401
0,198399506
0,105724
0,105724
0,010596
63,67568
0,4 36,0 0,041578
8,95631 0,202352669
0,106439
0,106439
0,01054 63,74529
0,5 36,0 0,051124
8,232028
0,270705667
0,104702
0,104702
0,013228
63,67748
0,4 35,8 0,041218
7,753434
0,231726961
0,105519
0,105519
0,010681
63,46762
0,1 35,8 0,010404
8,865162
0,051157344
0,106541
0,106541
0,00267 63,39419
0,2 35,9 0,026011
5,46804 0,207349484
0,106541
0,106541
0,006748
63,18369
0,0 35,8 -0,00512
7,9034 -0,02822368
5
0,104804
0,104804
-0,00135
63,10884
0,3 35,9 0,031093
6,92951 0,195589071
0,106132
0,106132
0,008043
63,36483
0,3 35,9 0,036869
7,236502
0,222082124
0,107869
0,107869
0,009371
63,5321
0,4 35,7 0,04673 8,73231 0,233262228
0,106337
0,106337
0,011968
63,8939
0,4 35,5 0,04641 9,03645 0,22389536 0,10562 0,10562 0,01198 63,8182
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
34/47
6 9 1 1 4 90,4 35,6 0,04173
78,70531
90,20898606
60,10684
70,10684
70,01068
163,6943
70,3 35,9 0,03589
27,23650
20,21619358
30,10500
90,10500
90,00937
163,7163
3
0,2 35,7 0,026136 7,703998 0,147875245 0,107052 0,107052 0,006729 63,593260,3 35,7 0,03121
37,72048
30,17622657
50,10654
10,10654
10,00805
463,6588
20,3 35,6 0,03641
57,46769
10,21255746
40,10654
10,10654
10,00942
163,7279
30,5 35,6 0,05222
19,36242
30,24313013 0,10694
90,10694
90,01324
564,0761
30,7 35,6 0,0729 9,09185
90,34950726
10,10664
30,10664
30,01849
464,3849
10,9 35,6 0,09390
9
9,12874
9
0,44840792
2
0,10684
7
0,10684
7
0,02365
3
64,4962
20,5 35,8 0,05705
98,93809
70,27826674
40,10623
40,10623
40,01453
164,3702
20,5 35,7 0,05711
48,18919
20,30400637
60,10633
70,10633
70,01464
764,1965
20,5 35,9 0,05202
28,21489
90,27603388
20,10654
10,10654
10,01326
364,2067
40,5 35,8 0,05257
17,51594
20,30488604
20,10766
40,10766
40,01335
164,0800
4
Com os valores calculados da temperatura terica, foi possvel construir o grfico detemperatura em funo do tempo, o qual est representado na figura 5, afim de se analisar operfil da temperatura.
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
35/47
Figura 5Perfil da temperatura de sada do fluido frio em funo do tempo.
No trocador de calor operando em batelada consiste em fixar uma massa de gua friadentro do reator e estudar o comportamento da sada de gua fria. Para isto construiu-se duascurvas de temperatura de sada do fluido frio em funo do tempo, uma delas foi obtida
experimentalmente e a outra como terica a partir de uma equao deduzida na metodologia. Ascurvas se aproximaram como pode ser observado na Figura 5.
Pode-se observar que o erro neste experimento foi desprezvel j que a curva terica eexperimental se aproximaram. Alguns erros podem ser apontados como erros de leitura dostermopares e nas leituras de vazo.
0
10
20
30
40
50
60
70
0 200 400 600 800 1000Te
mperaturadesadadofluidofrio(C
)
Tempo (s)
Perfil de temperatura
Temperatura
terica
Temperatura
real
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
36/47
Trocador de calor duplo tubo em contracorrente
O trocador operou com gua como fluido quente e frio, sendo que o quente estava
escoando no tubo interno e o frio no tubo externo.
Os dados coletados esto na tabela 14.
Tabela 14-Dados coletados
wquente(L/min)
wfria(L/min)
Tsfria(C)
Tefria(C)
Tsquente(C)
Tequente(C)
1 1,51 1,53 26,9 25,2 26,9 27,6
2 1,50 2,48 27,1 25,4 27,3 27,9
3 1,51 0,51 27,0 25,6 27,3 28,0
4 0,52 0,51 27,2 25,7 27,5 28,1
5 0,51 1,57 27,2 25,8 27,5 28,26 0,53 2,47 27,3 26,0 27,6 28,3
7 2,61 2,43 27,6 26,1 27,8 28,68 2,65 1,54 27,8 26,1 28,0 28,79 2,71 0,50 27,8 26,3 28,0 28,7
As dimenses dos tubos, interno e externo, esto representadas nas tabelas 15 e 16.
Tabela 15-Dados do tubo interno
Tubo internodo(m)
0,0045
di (m) 0,0033
at(m2)
8,553E-06
L (m) 0,33
Tabela 16-Dados do tubo externo
Tubo externoDi (m) 0,006
Deq (m) 0,0035
At (m ) 1,237E-05
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
37/47
Os dados dos fluidos e do tubo, obtidos na literatura, esto na tabela 17.
Tabela 17 - Dados da literatura
gua Ao InoxCp (kJ/KgC) 4,18 k (w/m.K) 0,65913
Densidade (kg/L) 1q (50C) (Pa.s) 0,00055f(25C) (Pa.s) 0,00089
Para a realizao dos clculos, os dados coletados foram convertidos para o SI, e a vazo
em volume de fluido foi convertida para vazo mssica, conforme tabela 18.
Tabela 18-Dados no SI
wquente
(kg/s)
wfria
(kg/s)
Tsfria
(K)
Tefria
(K)
Tsquente
(K)
Tequente
(K)1 0,0252 0,0255 299,9 298,2 299,9 300,62 0,0250 0,0414 300,1 298,4 300,3 300,93 0,0252 0,0085 300,0 298,6 300,3 301,04 0,0086 0,0085 300,2 298,7 300,5 301,15 0,0085 0,0262 300,2 298,8 300,5 301,26 0,0089 0,0412 300,3 299,0 300,6 301,37 0,0434 0,0405 300,6 299,1 300,8 301,68 0,0441 0,0256 300,8 299,1 301,0 301,79 0,0451 0,0083 300,8 299,3 301,0 301,7
O calor gerado pelo fluido quente para primeira vazo foi calculado como demonstrado
abaixo:
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
38/47
Em seguida calcula-se o G da forma descrita abaixo:
O Reynolds foi calculado por:
O coeficiente de pelcula de transferncia de calor (h i) foi calculado por:
( )
Levando em considerao o lado externo do tubo, calcula-se:
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
39/47
Analogamente, os clculos foram realizados para as outras vazes, gerando os resultadosda tabela 19.
Tabela 19 - Resultados calculados para o fluido quente
wquente
(kg/s)
Qquente
(J/s)
Re G
(kg/s.m
2
)
hi
(W/m
2
.K)
hio
(W/m
2
.K)1 0,0252 -72,06 17691,85 2948,64 2045,95 1500,362 0,0250 -61,17 17520,58 2920,10 2030,09 1488,733 0,0252 -71,92 17657,59 2942,93 2042,78 1498,044 0,0086 -21,17 6062,84 1010,47 868,60 636,975 0,0085 -22,48 5942,95 990,49 854,83 626,876 0,0089 -25,32 6216,98 1036,16 886,22 649,897 0,0434 -141,83 30468,34 5078,06 3160,50 2317,708 0,0441 -116,99 30930,76 5155,13 3198,82 2345,809 0,0451 -138,20 31667,21 5277,87 3259,60 2390,38
O calor gerado pelo fluido frio para primeira vazo foi calculado:
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
40/47
O coeficiente de pelcula de transferncia de calor (h0) foi calculado por:
(
)
Os clculos realizados para as outras vazes esto na tabela 20 abaixo:
Tabela 20 - Resultados calculados para o fluido frio.
wfrio (kg/s) Qfrio (J/s) Re G (kg/s.m ) ho (W/m .K)
1 0,026 177,21 8118,58 2064,44 1214,462 0,041 287,00 13148,06 3343,36 1786,033 0,009 50,58 2716,54 690,78 505,844 0,009 54,06 2716,54 690,78 505,845 0,026 155,05 8328,14 2117,73 1239,476 0,041 235,51 13101,49 3331,52 1780,96
7 0,040 247,70 12860,89 3270,34 1754,758 0,026 177,72 8141,86 2070,36 1217,249 0,008 53,90 2623,40 667,09 491,92
Levando em considerao que o trocador recebeu calor do ambiente, calculou-se o calorrecebido:
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
41/47
O coeficiente global de transferncia de calor terico foi calculado por:
Calculou-se tambm, o coeficiente global de transferncia de calor experimental, destemodo, calculou-se o erro:
O calor utilizado para esse clculo foi o calor do tubo interno, pois, nele no h influencia
da temperatura ambiente.
Portanto:
Finalmente, se fez possvel o clculo da efetividade, dado pela equao:
Onde CPmin o menor valor entre o w.cp do fluido quente e o do fluido frio.
-
7/27/2019 Relatrio - Trocador de calor (Pronto)
42/47
Analogamente, os clculos foram realizados para as outras vazes, obtendo os resultadosda tabela 21.
Tabela 21-Resultados
Qrecebido
(J/s)
Uteo
(W/m
2
.K)
Uexp
(W/m
2
.K)
Erro% CPq CPf CPmin
105,15 671,18 14034,94 19,91 0,11 0,11 0,11 0,29225,83 811,94 10135,25 11,48 0,10 0,17 0,10 0,24-21,35 378,15 11779,46 30,15 0,11 0,04 0,04 0,8432,90 281,94 3389,97 11,02 0,04 0,04 0,04 0,24132,58 416,32 3767,64 8,05 0,04 0,11 0,04 0,27210,19 476,14 4383,69 8,21 0,04 0,17 0,04 0,30105,87 998,66 23599,25 22,63 0,18 0,17 0,17 0,3460,73 801,40 18908,97 22,60 0,18 0,11 0,11 0,43-84,31 407,96 23731,51 57,17 0,19 0,03 0,03 1,64
Nesse ensaio foi possvel observar que um dado de efetividade apresentou valor maior doque um, pode-se justificar esse valor atravs do erro obtido, o qual foi alto e no valor de 57,17%.Esse erro deve-se a um erro na execuo do ensaio.
Trocador de calor duplo tubo em paralelo
No trocador duplo tubo em paralelo, os fluidos so os mesmos e escoaram da mesma
forma que no trocador em contracorrente, o fluido quente no tubo interno e o fluido frio no tudoexterno. Os tubos so do mesmo material.
Os dados obtidos no experimento esto na tabela 22.
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Tabela 22 - Dados coletados.
wquente(L/min)
wfria(L/min)
Tsfria(C)
Tefria(C)
Tsquente(C)
Tequente(C)
1 2,59 2,41 28,4 27,1 28,8 29,4
2 2,63 1,53 28,7 27,1 28,8 29,4
3 2,64 0,49 28,7 27,1 28,9 29,6
4 1,52 0,49 28,7 27,2 28,8 29,55 1,51 1,54 28,7 27,2 28,9 29,4
6 1,55 2,42 28,8 27,2 29,1 29,77 0,49 2,41 28,8 27,4 29,1 29,78 1,53 2,26 29,0 27,4 29,1 29,89 2,56 2,22 28,9 27,5 29,2 29,8
Na tabela 23, a temperatura foi convertida para o SI e a vazo em vazo mssica.
Tabela 23 - Dados convertidos.
wquente(kg/s)
wfria (kg/s) Tsfria (K) Tefria (K) Tsquente (K) Tequente(K)
1 0,043 0,040 301,42 300,15 301,81 302,39
2 0,044 0,025 301,66 300,15 301,81 302,443 0,044 0,008 301,66 300,05 301,86 302,594 0,025 0,008 301,71 300,20 301,81 302,545 0,025 0,026 301,66 300,25 301,86 302,396 0,026 0,040 301,76 300,20 302,05 302,74
7 0,008 0,040 301,81 300,44 302,05 302,698 0,025 0,038 302,00 300,39 302,05 302,839 0,043 0,037 301,91 300,49 302,20 302,83
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Os resultados calculados para o tubo interno esto na tabela 24.
Tabela 24 - Dados calculados para o tubo interno.
wquente
(kg/s)
Qquente
(J/s)
Re G (kg/s.m2) hi(W/m2.K)
hio
(W/m2.K)
1 0,043 -105,90 30331,33 5055,22 3149,13 2309,362 0,044 -116,28 30742,37 5123,73 3183,22 2334,36
3 0,044 -134,91 30913,63 5152,27 3197,40 2344,76
4 0,025 -77,41 17794,61 2965,77 2055,45 1507,33
5 0,025 -56,35 17606,21 2934,37 2038,03 1494,55
6 0,026 -73,67 18085,76 3014,29 2082,31 1527,03
7 0,008 -21,70 5737,43 956,24 831,10 609,47
8 0,025 -83,24 17880,24 2980,04 2063,36 1513,13
9 0,043 -113,43 29988,79 4998,13 3120,64 2288,47
Os resultados obtidos para o tubo externo esto abaixo, na tabela 25.
Tabela 25 - Resultados obtidos para o tibo externo.
wfrio(kg/s)
Qfrio(J/s)
Re G
(kg/s.m2)
ho(W/m2.K)
1 0,040 212,86 20635,42 3242,71 2181,79
2 0,025 160,96 13087,10 2056,54 1515,65
3 0,008 55,25 4220,02 663,15 612,88
4 0,008 51,44 4182,35 657,23 608,50
5 0,026 152,16 13225,26 2078,25 1528,43
6 0,040 262,94 20710,78 3254,55 2188,16
7 0,040 229,51 20660,54 3246,66 2183,92
8 0,038 253,73 19379,46 3045,34 2074,89
9 0,037 218,93 19027,79 2990,08 2044,72
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Os resultados de coeficiente global de troca trmica, erro percentual e efetividade, estona tabela 26.
Tabela 26Resultados.
Qrecebido
(J/s)
Uteo
(W/m2
.K)
Uexp
(W/m2
.K)
Erro% CPq CPf CPmin
106,96 1121,88 21399,11 18,07 0,18 0,17 0,17 0,28
44,68 918,98 31920,54 33,73 0,18 0,11 0,11 0,48
-79,66 485,88 31647,98 64,14 0,18 0,03 0,03 1,55
-25,97 433,50 23326,98 52,81 0,11 0,03 0,03 0,97
95,82 755,65 14828,46 18,62 0,10 0,11 0,10 0,25
189,27 899,39 15181,83 15,88 0,11 0,17 0,11 0,27
207,81 476,49 5156,34 9,82 0,03 0,17 0,03 0,28
170,49 875,02 29171,97 32,34 0,11 0,16 0,11 0,32
105,50 1079,87 24652,84 21,83 0,18 0,15 0,15 0,31
Pela tabela 26, pode-se observar que h um ensaio em que a efetividade apresentou valordo que um novamente, isso acontece devido a erro na execuo do ensaio, e pode ser justificadopela porcentagem em erro (64,14%). H tambm um valor em um dos ensaios em que aporcentagem em erro apresentou um valor de 52,81%, porm a efetividade desse ensaio foi amaior de todas.
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CONCLUSO
Para a realizao desse experimento foi desprezado a troca de calor com o meioambiente. As possveis fontes de erro ocorridas nesse experimento so: impreciso no ajuste davazo, acarretando erro na coleta dos dados, erro na leitura dos termopares e alguma falha do
grupo na execuo do ensaio.
Em relao aos trocadores, o esperado era que a mdia de eficincia do trocador duploem contracorrente fosse maior do que a mdia de eficincia do mesmo s que em um sistema emparalelo, porm no foi o que obtivemos. A mdia de eficincia do trocador em um sistema emcontracorrente apresenta um valor de 0,51 e a mdia de eficincia do trocador em um sistema emparalelo apresenta o valor de 0,52. Podemos ainda levar em considerao a porcentagem de erroentre as duas mdias de eficincia, sendo assim o resultado no fica discrepante, j que o erroapresentado menor do que 5%.
O trocador casco e tubo foi o trocador em que apresentou um valor de eficincia baixodentre os testados (mdia de 0,192), porm no foi o menor de todos. Este foi utilizado emcontracorrente e uma das evidencias para a explicao dessa mdia inferior aos demais, que otrocador apresenta uma rea de troca trmica muito pequena. Uma sugesto para a melhoria domesmo, seria aumentar o nmero de passagens do fluido pelo casco e/ou pelo tubo e aumentartambm o nmero de chicanas.
O trocador de calor em serpentina realizado em batelada foi o trocador em que a mdia deeficincia foi a menor de todos (0,106). Como citado no grfico do perfil de temperatura de sadado fluido frio em funo do tempo, o erro desprezvel, uma vez que as curvas quase se
sobrepem. J o trocador de calor em serpentina em sistema contnuo apresentou uma mdia deeficincia de 0,405. Nesse sistema foi possvel identificar que conforme a agitao aumenta, aturbulncia do fluido maior, com isso o fluido fica mais homogneo aumentando atransferncia de calor.
Os resultados apresentados, mesmo contendo erros os quais foram citados, atingiram oobjetivo desse experimento que visava o estudo do comportamento funcional de diferentes tiposde trocadores de calor.
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BIBLIOGRAFIA
INCROPERA, F. P., WITT, D. P. Fundamentos de Transferncia de Calor e Massa. LTC, 1992,3ed.
KERN, D. Q. Processos de Transmisso de Calor. Editora Guanabara Koogan, 1980
Trocador de calor. Disponvel em: Acesso em 5/09/2012.
Trocador de calor de casco e tubos. Disponvel em: Acesso em 5/09/2012.
http://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema074/trocador/definica.htmhttp://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema074/trocador/cascotub.htmhttp://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema074/trocador/cascotub.htmhttp://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema074/trocador/definica.htm