PROJETO DE UM TROCADOR DE CALOR DE CARCAÇA E TUBOS PARA RESFRIAR ÓLEO DE SOJA

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA DOS ALIMENTOS

GCA121 - OPERAÇÕES UNITÁRIAS II

PROJETO DE UM TROCADOR DE CALOR DE CARCAÇA E TUBOS PARA RESFRIAR ÓLEO DE SOJA

 

Alunos

Debora Brum Neves

Driele Fradim

Marina Lage

Raí Caires

Professor

José Guilherme L. F. Alves

LAVRAS

2018

INTRODUÇÃO

O problema discutido a seguir é baseado no trabalho proposto pelos professores Maria Helena Miguel e Theo Kieckbusch (UNICAMP) para treinamento dos alunos da disciplina de Operações Unitárias de Transferência de Calor. A metodologia de cálculo sugerida é a descrita no livro de texto de Kern (1987). Para estimar os valores dos parâmetros se sugere a consulta do Manual do Engenheiro Químico (Perry e Chilton, 1986) e a as tabelas de propriedades de alimentos. Para cálculo do fator de correção térmica (Fct), deve-se consultar o livro Kreith (1977).

CASO ESPECÍFICO

Em uma fábrica de alimentos existe um trocador de calor, de tipo carcaça e tubos, que não está sendo utilizado, e o engenheiro de alimentos é incumbido da tarefa de analisar a possibilidade de aproveitar esse equipamento para resfriar óleo de soja.

RESOLUÇÃO DO PROBLEMA

1. Cálculo do Calor que se deseja retirar do óleo quente:

1. Dados iniciais do óleo de soja quente (“juice”)

Vazão de óleo de soja	mj= 8000kg/h
Temperatura na entrada	tij = 90°C
Temperatura na saída	tfj = 50°C

1. Cálculos Auxiliares

1. Temperatura média da solução: Tmj = (Tij + Tfj)/2 = (90 + 50)/2= 70°C

1. Capacidade calorífica: Cpj = 0,489427083 Kcal/kg°C

Fonte: Clark, P. E., C. R. Waldeland, R. P. Cross. 1946. Ind. Eng. Chern. 38: 350-353. Original in PRYDE, E. H. Physical Properties of soybean oil.

1. Calor a ser retirado do óleo de soja

Qj = mj .Cpj . (tij – tfj)

Qj = 8000 kg/h . 0,489427083 Kcal/Kg °C . (90 - 50)°C

Qj = 156616,6666

1. Características do Equipamento

1. Tubos

1. Diâmetro interno: Di = 0,0166m

1. Diâmetro externo: De = 0,0191m

1. Diâmetro Equivalente = 0,01854 m

1. Comprimento: L = 5m

1. Número total de tubos: Nt = 24

1. Número de passes do produto: Np = 4

1. Passo entre os tubos (pitch): Pt = 0,0254m

1. Condutividade térmica: (Tab. A.1 – Livro Incropera)

Utilizando o aço Inoxidável AISI 302:
Kt = (15,1 W/mK).(J/Ws).(1Kcal/4184J). (3600s/1h) = 12,99 Kcal/hm°C

1. Rugosidade:

Utilizou-se a rugosidade do aço comercial

et = 0.000004 m

Fonte: CAMARGO, R. Verificação da usinabilidade dos aços inoxidáveis austeníticos através do processo de furação. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade estadual de Campinas. São Paulo, p. 30-37. 2008.

1. Resistência térmica interna: rsj= 0,0002m²h°C/Kcal

1. Resistência térmica externa: rsa = 0,0002m²h°C/Kcal

1. Carcaça

1. Diâmetro interno: Dic = 0,2032 m

1. Número de chicanas: Nch = 85

1. Espessura das chicanas: ech = 0,0009m

1. Dados do líquido de resfriamento (água):

3.1 Vazão:

Qj = Qa

mj.Cpj . ∆Tj = ma .Cpa . ∆Ta

8000 . 0,489427083 . (90 – 50) = ma . 0,998 .(38 – 16)

ma = 7132,227 kg/h

3.2 Temperatura da água na entrada:

tia = 16°C

3.3 Temperatura limite da água na saída:

tlimite = 38°C

3.4 Cálculo da temperatura da água na saída:

Cpa = 0,998 Kcal/Kg°C – (Tabela A.6 Propriedades Físicas dos líquidos)

tfa = tia + (Qj/ma . Cpa)

tfa = 16 + (156616,6666/7132,227 . 0,998)

tfa = 38 °C

3.5 Critérios de aceitação:

tfa

A tfa possui valor igual tlimite, portanto a temperatura pode ser utilizada.

3.6 Temperatura média da água:

tma = (tia + tfa)/2

tma = 27°C

1. Propriedades físicas dos fluídos (dados adicionais)

1. Óleo de Soja:

1. Densidade:

dj = 887,0517 kg/m³   (tabela 1 – extrapolação - PRYDE)

Fonte: PRYDE, E. H. Physical Properties of soybean oil, p33-47.

1. Viscosidade:

visj = 12,6x10-3  kg/ms

Fonte: BROCK, J. et al. Determinação experimental da viscosidade e condutividade térmica de óleos vegetais. Ciênc. Tecnol. Aliment., Campinas, 28(3): 564-570, jul.-set. 2008

1. Condutividade Térmica:

kj = 0,1341 kcal/hm°C

Fonte: BROCK, J. et al. Determinação experimental da viscosidade e condutividade térmica de óleos vegetais. Ciênc. Tecnol. Aliment., Campinas, 28(3): 564-570, jul.-set. 2008

1. Água de resfriamento:

1. Densidade:

da = 997,0089 Kg/m3  (Tabela A6 – Propriedades Termofísicas da água saturada)

1. Viscosidade:

Visa = 0,855.10-3 kg/ms (Tabela A6 – Propriedades Termofísicas da água saturada)

1. Condutividade térmica:

Ka = 0,527 kcal/hm°C (Tabela A6 – Propriedades Termofísicas da água saturada)

1. Cálculo dos Números de Reynolds e Prandlt

1. Óleo de soja nos tubos:

1. Área de escoamento de um tubo:

At = π . (Di)²/4 . Nt/Np

At = π .(0,0166)²/4 . 24/4

At = 1,298546 .10-3 m²

1. Velocidade media:

Vmj = mj/(dj.At . 3600)

Vmj = 8000/ (887,0517. 1,298546 . 10-3.3600)

Vmj = 1,929217736 m/s

1. Reynolds:

Rej = Di .Vmj .dj/ Visj

Rej = 0,0166. 1,929217736.887,0517/12,6x10-3

Rej = 2254,590752

1. Prandtl:

Prj = Cpj .Visj . 3600/Kj