Metodo Kern

5/24/2018 Metodo Kern

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FACULDADES OSWALDO CRUZ

PLANEJAMENTO E PROJETOS NA INDUSTRIA QUMICA

5 EA/EX/EY

PROJETO TRMICO E MECNICO DE TROCADORES DECALOR

Um dos mtodos mais aplicados para o projeto completo de um trocador decalor de casco e tubos o MTODO KERN, o qual apresentamos a seguir com

algumas adaptaes.Para o projeto de um trocador de calor devem ser conhecidas: M, m, T 1, T2,t1,t2, Cp, cp, H, viscosidade mdia, condutividade mdia, dos fluidos que irotrocar calor.

1. Em funo do T1 t1 escolhe-se o tipo de trocador de calor mais apropriado:Espelho FixoTubo em U ou cabeote flutuante.

2. Em funo das caractersticas dos fluidos escolhe-se qual deles dever fluirpelos tubos e qual dever fluir pela casco. A escolhe efetuada seguindo a

ordem de precedncia abaixo para escolher qual dos fluidos escoar pelosTUBOS:

Fluido mais corrosivo e/ou mais incrustante e/ou que possuir maiorquantidade de slidos em suspenso.

gua de resfriamento. Fluido de menor viscosidade Fluido para o qual permitido maior perda de carga ao passar pelo

trocador. Fluido com maior presso ( baratear o custo do equipamento) Fluido mais quente ou com maior temperatura mdia. Fluido com menor vazo

Obs.: Vapores condensantes ou lquidos que iro se vaporizar devem fluir pelocasco.

3. Efetuar o balano trmico: Calcular o fluxo de calor q e o LMTD4. Calcular o Fc se a deciso do item 1. for por um trocador com mais de um passe

pelos tubos. Se o Fc < 0,75 para um trocador 1:2, adotar o trocador 2:4 ou adotardois trocadores em srie 1:2. A seguir calcular o LMTD corrigido.


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5. Arbitrar um valor de Uo ( coeficiente global referido rea externa), obtido dereferncias bibliogrficas.

6. Calcular a rea de troca trmica Ao = q/(Uo.Fc.LMTD)7. Escolher arbitrariamente o dimetro dos tubos ( conforme norma TEMA : in,

in, 1 in, 1 in) e o BWG, bem como o comprimento dos tubos levando emconta os comprimentos comerciais:

BWG Espessura em m . 10 10 3,403612 2,768614 2,108216 1,6510

e L = 3,4,ou 6 m.

Escolher tambm o arranjo triangular ou quadrado em funo do tipo detrocador e das condies do fluido que escoar pelo lado do casco. Escolhertambm o passo a ser adotado. Ver tabelas pag. 27 a 29 da apostila.

8. Calcular o nmero de tubos totais do trocador de calor.Para o clculo donmero de tubos sabemos que: Ao = Nt..do.L

Lembrando que Nt = Np.Nt,p, e que o Np j foi definido anteriormente, podemosobter o Nt,p. Posteriormente devemos verificar se com esse Nt,p calculado, a velocidade deescoamento recomendada pelos tubos ainda se mantm. Ou seja:

V=Q/(. di)/4

Q= vazo volumtrica .di = dimetro interno dos tubos ( definido na etapa 7)v = velocidade mdia de escoamento pelos tubos.

Se a velocidade calculada for menor do que a recomendada, diminuir o dimetro dos tubos

ou aumentar o nmero de passagens pelos tubos, uma vez que: para um mesmo valor deNt, se aumentarmos o Np, o Nt,p diminuir e portanto a velocidade pelos tubos aumentar.

Obs.: O aumento do nmero de passes pelos tubos, mantendo o nmero de passes pelocasco, no altera o valor do fator de correo do LMTD.

9. Determinao do dimetro interno do casco Ds. Para a determinao dodimetro interno do casco deveremos utilizar as tabelas que apresentam aquantidade de tubos em funo do nmero de passagens pelos tubos, em funodo dimetro externo dos tubos e em funo do passo e do arranjo dos tubos noespelho; conforme apresentado nas tabelas das pginas 27 a 29 da apostila.


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10.Clculo do coeficiente individual de troca trmica para o fluido que escoarinternamente aos tubos. O coeficiente de transmisso individual por convecopara o lado dos tubos calculado atravs do nmero de Nusselt conformemostrado abaixo:

Nu = hi.di/k = 0,023 . (di.v./) E 0,8 . (Cp./k) E 0,33 . ( /w) E 0,14

Supondo numa primeira aproximao que ( /w) E 0,14 = 1,0

Onde w = viscosidade na parede interna do tubo

11.O clculo do coeficiente de transmisso de calor por conveco para ofluidoque escoar no lado do casco segue o seguinte critrio:

Adotar um valor para o espaamento entre chicanas B compreendido entre:Ds/5 < B < Ds

Ds o dimetro interno do casco j determinado no item 9.

Calcular o ho pela expresso abaixo:ho.de/k = 0,36(de . Gs/) E 0,55 . (Cp./k) E 0,33 . ( /w) E 0,14

Onde: de= dimetro equivalente para o lado do casco.Gs = W/as e as= Ds.C . B / Pt

W: vazo mssica do fluido que escoa pelo casco em kg/sas: rea de escoamento no lado do casco ( carcaa) em mB: distncia entre chicanas.Gs: vazo mssica por unidade de rea pelo lado dos casco kg/m.sDs : dimetro interno do casco em metrosC : espaamento entre os tubos em metros.Pt: passo dos tubos ( distncia entre os centros de tubos adjacentes) em m. de: dimetro equivalente, o qual depende do arranjo utilizado.Para arranjo quadrado de= [4(Pt - .do/4)] / .do

Para arranjo triangular de = [4 ( 0,5 Pt . 0,868Pt 0,5..do/4)]/0,5.do

12.Para o clculo da correo do nmero de Nusselt: ( /o) E 0,14, para o ladodos tubos e tambm para o lado do casco, faz-se necessrio determinar atemperatura twque a temperatura na parede do tubo Tw. Para tanto os passosabaixo devem ser seguidos:

a) Tendo em vista que hi e ho j foram calculados em itens anteriores sem acorreo da viscosidade, estimar um valor de twtal como ( t1+ t2)/2 para o ladofrio ( se for para o lado quente usar as temperaturas T1e T2).

b) Encontrar em tabelas o valor de wna temperatura tw.c) Corrigir hi e ho com os valores ( /o) E 0,14


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d) Calcular q1= ho. (T1 Tw) e q2= hi. ( Tw t2)e) Verificar se q1= q2. Se no for, retornar para a etapa ae calcular um novo Tw,

refazendo novamente os clculos at que q1= q2.

13.Estimar os fatores de sujeira, utilizando referncias da bibliografia citada, ecalcular o Uo,D( coeficiente global de troca trmica sujo referido rea externados tubos).

1/ Uo,D = 1 /ho + 1/ hi,o + Rdi + Rdo

onde Rdi = Coeficiente de sujeira do fluido que escoa internamenteaos tubos e Rdo = coeficiente de sujeira do fluido que escoaexternamente aos tubos.

Se Uo,D > Uo o clculo da parte trmica esta concludo ( esta diferena poder sermenor ou igual a 10% ) , adotando para clculo da rea o novo valor Uo,D.

Se Uo,D < Uo : Analisar o fator que mais influencia. Se for hi o que maisinfluencia, aumente o nmero de passagens pelos tubos para aumentar o valor de hi,o (ateno para com a velocidade mnima estabelecida de escoamento pelos tubos)

Se for ho quem mais influencia, aumentar o nmero de passagens pelo casco oudiminuir o espao entre chicanas para aumentar a turbulncia e portanto o ho.

Em qualquer caso voltar para o item 6 e refazer os clculos todos novamente.

14.Calcular a perda de carga pelo lado dos tubos utilizando a seguinte expresso:

Pt = ( f.Gt.L.Np,t)/ .di.s.t queda de presso no interior dos tubos.

Pr = (4 Np.vt)./2 S queda de presso devido ao retorno quando o fluidomuda de sentido.

Ptotal = Pt + Pr . Para troca de calor entre dois lquidos esse valor

dever ser menor ou igual a 69.000 N/m e para G e L menor que 6900 N/m.

Gt = vazo mssica por unidade de rea dos tubos. Wt/at ( kg/m.s)

At = (do-2esp)..Nt,p/4 em mL = comprimento dos tubos em metrosF: fator de atrito para escoamento no interior de tubos de trocadores de calor (funo do Nmero de Reynolds).Np = nmero de passagens pelos tubos.= massa especfica do fluido em kg/mDi = dimetro interno dos tubos em m


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S = densidade relativa do fluidot = ( /o) E 0,14

15.Calcular a perda de carga no escoamento pelo lado do casco.Ps = f.Gs.Ds.(N + 1). Np,casco/ s.De.S.s onde N+1 = L/B

f : fator de atrito pra escoamento pelo lado do casco.-0,02994

(7,489. Re )f = 0,001.e se Re menor que 300

-0,19f = 0,01209. Re se Re maior ou igual a 300

Gs= Ws/as ( kg/m.s)Ds = dimetro interno do casco em m.De = dimetro equivalente pelo lados dos casco em m.s= massa especfica do fluido que escoa pelo caso em kg/mS = densidade relativa do fluido pelo lado do casco.t = ( /o) E 0,14

Se Ptubos for maior que Ptubos admissvel, diminuir o nmero de passagenspelos tubos ou aumentar o dimetro dos tubos ( verificar a velocidade deescoamento mnima recomendada pelos tubos) e retornar para o item 8,refazendo todos os clculos.

Se Ps for maior que o Ps admissvel adotar novo valor de Ds ( dimetro docasco) ou novo valor de B e retornar para o item 11, refazendo todas as etapas.

Se Ptubos e Ps menores que os valores admissveis, EMITIR A FOLHA DEDADOS DO TROCADOR DE CALOR.

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