Relatório - Trocador Casco e Tubo

Relatório de Laboratório de Engenharia Química II

Grupo B: Laís Aguiar e Stéfano Praxedes

Experimento 2: Trocador de Calor Casco e Tubo

Objetivos:

Estudar o experimento com um trocador de calor do tipo casco e tubo de bancada e aplicar os conceitos aprendidos na disciplina de Princípios de Transmissão de Calor e Operações Unitárias 2 para o cálculo do coeficiente global de transmissão de calor (U).

Introdução:

O experimento descrito neste relatório foi realizado com um trocador de calor do tipo casco e tubos, conforme recomendações do Módulo Didático do Trocador de Calor, do Roteiro de Experimentos (versão 1.3) e do professor da disciplina, foi iniciado às 18:30h do dia 29 de maio de 2015 e finalizado às 22:05h deste mesmo dia. Ao longo deste relatório, que apresenta e discute os resultados do experimento, serão fornecidos os detalhes da sua execução e algumas informações teóricas utilizadas na sua análise.

Coleta de Dados:

O experimento trata-se da análise de um trocador de calor e sua montagem é detalhada no fluxograma mostrado na Figura 01 (Anexo 01). Conforme solicitado pelo roteiro, o experimento foi realizado em 8 etapas, 4 delas com fluxo paralelo e 4 com fluxo contracorrente, cada uma delas com uma vazão específica requerida para os fluidos quente e frio, conforme Tabela 01 (Anexo 02).

O fluido utilizado foi água, nos tubos e no casco, e a vazão de cada fluido foi ajustada de acordo com rotâmetros localizados na descarga das bombas de fluido frio e de fluido quente, entretanto, foi observado que a vazão fornecida por cada bomba variava durante o experimento, e para obter um valor mais preciso deste dado foram realizadas medições de vazão ao longo do experimento. Sabendo que para a análise do trocador de calor seus dados devem ser coletados quando as temperaturas atingem o equilíbrio, a vazão considerada na análise de cada teste foi uma média das três últimas medidas de vazão realizadas, pois estas foram as mais próximas da condição no estado estacionário.

As medições de vazão (Q) foram feitas através da medição do tempo (t) para a coleta de um volume (V) conhecido de cada fluido, a partir de um cronômetro e uma bureta (1000mL), respectivamente. Com isso, as vazões foram calculadas conforme a equação abaixo:

[pic 1]

Os dados coletados para medição de vazão, assim como a vazão calculada para cada fluido em cada um dos testes estão descritos na Tabela 02 (Anexo 02).

A coleta de dados de temperatura, por sua vez, foi realizada ao longo do experimento até o momento em que se avaliou que as temperaturas entraram em uma condição de equilíbrio, através de print screens a cada 5 min da tela do software contendo indicação de temperatura dos 8 termopares presentes no trocador (4 no casco e 4 nos tubos). Os dados de temperatura coletados nos print screens são apresentados na Tabela 03 (Anexo 02). As temperaturas referidas com a letra F são de termopares localizados no feixe de tubos, por onde passa o fluido quente e as referidas com a letra C, no casco, por onde passa o fluido frio. As temperaturas com numeração 1 são de entrada de fluido e a numeração 4 refere-se à saída do fluido.

Visto que para análise do trocador o estado de equilíbrio é o estado de interesse, os testes foram executados até o tempo em que se avaliou que as temperaturas chegaram ao equilíbrio (15 a 25 min), portanto, para fins de cálculo, é utilizada a média das temperaturas coletadas nos dois últimos print screens (valores grifados na Tabela 03), quando foi considerado que o sistema estava em equilíbrio. Essa média das temperaturas de interesse são mostradas na Tabela 04 (Anexo 02), onde os subscritos Q e F representam quente (tubos) e frio (casco), e os sobrescritos E e S representam entrada (1) e saída (4), respectivamente.

Resultados e Discussão:

Inicialmente, foram plotados os gráficos correspondentes às temperaturas, na condição de equilíbrio, dos fluidos quente e frio ao longo do trocador (os pontos de coleta de temperatura estão indicados no fluxograma mostrado na Figura 01). Ao observar os gráficos, mostrados na Figura 02 (Anexo 01), percebe-se que a temperatura varia à medida que o calor é trocado entre os fluidos, ou seja, à medida que o fluido percorre o comprimento do trocador, além disso, a diferença de temperatura tende a diminuir ao longo do trocador, ou seja, a taxa de calor do trocador varia ao longo de seu comprimento. Avalia-se também que na configuração em contracorrente, a diferença de temperatura entre os fluidos frio e quente se aproximam uma da outra mais rapidamente, chegando à temperatura do fluido frio passar a temperatura do fluido quente no Teste 02, o que, pela teoria, não pode acontecer, ao longo deste relatório, discutiremos possíveis motivos para esse ocorrido.

Cálculo da área de troca térmica:

Através do manual do trocador, tem-se que o diâmetro (D) de cada tubo é de 6,35 mm, o comprimento máximo dos tubos (L) é de 330 mm, o número de passes (n) é 2 e o número de tubos (m) é 7.

Usando a equação abaixo, pode-se então calcular a área de troca térmica do trocador:

[pic 2]

Logo At = 0,0922 m².

Cálculo do coeficiente global de transmissão de calor (U):

É função da resistência térmica total à transferência de calor entre dois fluidos, e os cálculos realizados para obter este coeficiente consideram superfícies de troca térmica sem aletas e sem incrustações.

O cálculo deste coeficiente depende de propriedades como viscosidade dinâmica (µ), massa específica (ρ), número de Prandtl (Pr), calor específico (cp) e condutividade térmica (k), as quais foram calculadas previamente através da interpolação de valores tabelados (obtidos no Perry) para o valor médio de temperatura em cada lado do trocador (casco ou tubo) para cada teste. Esses valores são mostrados na Tabela 05 (Anexo 02).

Conforme discutido, a taxa de transferência de calor varia ao longo do trocador, portanto, o coeficiente global U pode ser melhor calculado através da média logarítmica da diferença de temperatura em todo o trocador. Através das equações indicadas pelo Incropera e mostradas abaixo: