Teste de eficiência da transferência de calor de um trocador de calor de tubos aletados

Fonte: Michael G. Benton e Kerry M. Dooley, Departamento de Engenharia Química, Universidade Estadual de Louisiana, Baton Rouge, LA

Trocadores de calor transferem calor de um fluido para outro fluido. Existem múltiplas classes de trocadores de calor para preencher diferentes necessidades. Alguns dos tipos mais comuns são trocadores de conchas e tubos e trocadores^{de placas 1}. Os trocadores de calor de conchas e tubos usam um sistema de tubos através do qual o fluido flui¹. Um conjunto de tubos contém o líquido a ser resfriado ou aquecido, enquanto o segundo conjunto contém o líquido que absorverá o calor ou transmitirá¹. Os trocadores de calor da placa usam um conceito semelhante, no qual as placas são intimamente unidas com uma pequena lacuna entre cada uma para o líquido fluir¹. O fluido que flui entre as placas alterna entre quente e frio para que o calor se mova para dentro ou para fora dos fluxos necessários¹. Esses trocadores têm grandes áreas de superfície, por isso geralmente são mais eficientes¹.

O objetivo deste experimento é testar a eficiência de transferência de calor de um trocador de calor de tubos de finned (Figura 1) e compará-lo com a eficiência teórica de um trocador de calor sem aletas. Os dados experimentais serão medidos para três diferentes taxas de fluxo de monoetileno glicol (MEG). Serão utilizadas duas taxas diferentes de fluxo de água para cada vazão meg. Usando o método de enredo wilson, os coeficientes de transferência de calor serão determinados a partir dos dados experimentais. Além disso, o número do Reynold e a quantidade de calor transferido serão comparados para o fluxo com e sem as aletas para avaliar a eficiência da transferência de calor.

Figura 1: Trocador de calor de tubo de finned. 1) Temperatura da saída MEG 2) temperatura da entrada de água 3) Temperatura da entrada MEG 4) temperatura da saída de água 5) medidor de água 6) MEG acumulando vidro/cilindro de visão de acúmulo.

Trocadores de calor transferem calor entre dois ou mais fluidos. Os trocadores usam espécies fluidas que fluem em um espaço separado de um córrego oposto que está fornecendo calor. As aletas podem ser adicionadas à área de fluxo para facilitar a transferência de calor, pois aumentam a área de superfície disponível para transferência. As barbatanas adicionadas diminuem a área pela qual a espécie flui e fornecem mais superfícies nas quais as camadas de fronteira podem se formar, resultando em fluxo menos turbulento. Quanto menos turbulento um fluxo, a camada de limite maior que terá. Uma camada de fronteira inibe a transferência de calor, por isso, com menos fluxo turbulento, menos calor é transferido. Quando a camada de fronteira é laminar, há muito pouca mistura.

A relação entre a área pela qual o calor pode fluir e o coeficiente de transferência de calor é usada no cálculo do calor total transferido. Esta relação é calculada através da Equação 1:

(1)

onde Q é transferido de calor (Btu/hr), U é coeficiente global de transferência de calor, A é área através da qual o calor é transferido (ft²), ΔT_LM é a diferença de temperatura média logarítmica.

A equação geral do coeficiente de transferência de calor é:

(2)

onde A_b é a área superficial do tubo interno nu, A_f é a área superficial das aletas, A_LM é a diferença de área média logarítmica, A é a área superficial do tubo (o = fora, i = interior), Δx espessura do tubo, k é condutividade térmica do tubo, h = Coeficiente de transferência de calor individual. (o=fora, i=dentro)

O método de enredo de Wilson usa dados experimentais para encontrar U_oA_do equilíbrio energético típico no fluxo MEG e traçar sua recíproca para 1/Re^0,8 do tubo interno. Ao encaixar uma linha reta e encontrar o y-intercept, que está relacionado com o coeficiente de transferência de calor e é descrito nos dois primeiros termos à direita da equação acima. Uma típica equação de eficiência de barbatana retangular de perfil retangular longitudinal é usada como a segunda equação para resolver para o coeficiente de transferência de calor e eficiência da barbatana, minimizando a soma de quadrados de uma função objetiva. Este método é aplicado às condições de fluxo MEG com taxas de fluxo de água variadas.

Para calcular o coeficiente de transferência de calor, é utilizado o Número de Reynolds, que é dado pela seguinte equação:

(3)

onde G é a velocidade de massa do fluxo de fluidos, D é o diâmetro do tubo onde o fluido flui (D_eq, o diâmetro equivalente substituirá D para cálculos com aletas), e μ é a viscosidade do fluido. Equação de eficiência de barbatana para uma barbatana de perfil retangular longitudinal é:

(4)

onde m é √(2h/kt), h é o coeficiente de transferência de calor, k é condutividade térmica do tubo, t é espessura da barbatana, e b é a altura da barbatana.

1. Determinação da taxa de início e fluxo

1. Abra a válvula de carga localizada abaixo do gerador de vapor.
2. Inicie a unidade e deixe 15 minutos para que o vapor comece a se formar.
3. Calcule a taxa de fluxo de água
   1. Inicie um cronômetro e monitore o medidor exibindo o volume de água.
   2. Pare o relógio depois dos 30 e regise o volume total de água exibido no medidor.
   3. Divida o volume de água pelo tempo para determinar a taxa de fluxo volumoso.
4. Regisso da vazão MEG do medidor de fluxo.
5. Observe a temperatura dos termopares e regissurre os valores.

2. Variando a taxa de fluxo e desligando

1. Para coletar dados para 6 corridas diferentes, defina a taxa de fluxo de água para uma taxa de fluxo alta ou baixa e execute-os com uma taxa de fluxo alta, média ou baixa de MEG.
   1. Para referência, foram utilizadas as taxas de fluxo anteriores: 0,0439, 0,0881 e 0,1323 gal/seg para as baixas, médias e altas taxas de fluxo de MEG, respectivamente.
2. Como anterior, registo as taxas de fluxo volumoso e a diferença de temperatura no termopar para cada corrida.
3. Quando terminar, desligue o instrumento.
   1. Feche as válvulas para parar o fluxo de vapor, monoetileno glicol e água.
   2. Desligue o interruptor principal.

3. Cálculos

1. Use a Equação 1 para calcular o calor total transferido, Q, com a diferença de temperatura lida dos termopares (dispositivos usados para medir a temperatura) e as dimensões físicas conhecidas do trocador de calor (encontrado no manual do usuário para a unidade em funcionamento). As diferenças de temperatura podem ser retiradas das leituras de temperatura de cada corrida.
2. Calcule o calor transferido para cada execução de teste único, e use o método de enredo de Wilson para encontrar os coeficientes de transferência de calor para as três taxas de fluxo MEG.
3. Compare o calor calculado transferido e o número de Reynolds com os valores teóricos do trocador de calor sem barbatanas.

O trocador de calor do tubo não atingiu o fluxo turbulento(Figura 2). As barbatanas fornecem superfícies adicionais nas quais as camadas de fronteira se formam, como é conhecida através da teoria do fluxo laminar e turbulento. Se o fluido não estiver em velocidade suficiente, o fluido não atingirá turbulência. As camadas de fronteira entre as barbatanas se sobrepõem na região laminar, de modo que o fluido permanecerá laminar.

Figura 2: Números de Reynolds para cada configuração.

Foi comparada a quantidade de calor transferido, Q, nos tubos com e sem aletas em diferentes vazões de MEG (Figura 3). Os resultados mostram que um tubo de finned transfere mais calor do que um tubo sem aletas nas mesmas condições de operação. Neste experimento, as barbatanas claramente melhoraram a transferência de calor. Isso ocorre porque a transferência de calor é mais eficaz quando há uma maior área de superfície disponível. O trocador de calor do tubo finned transferiu mais calor(Figura 3),apesar do menor número de Reynolds(Figura 2).

Figura 3: Calor transferido entre cambistas com e sem aletas a cada vazão.

Os trocadores de calor são usados em uma variedade de indústrias, incluindo agricultura, produção química e HVAC. O objetivo deste experimento era testar a eficiência de transferência de calor de um trocador de calor de tubos de finned e compará-lo com a eficiência teórica de um trocador de calor sem aletas. Os dados experimentais foram medidos para três diferentes taxas de fluxo de monoetileno glicol (MEG) e duas taxas únicas de fluxo de água para cada taxa de fluxo MEG utilizada. O número do Reynold foi determinado para o fluxo com e sem as aletas e foi usado para calcular o coeficiente de transferência de calor, área de superfície e eficiência de barbatana para cada execução única de ensaio. Esses dados foram utilizados para avaliar se o fluxo turbulento é possível sem as aletas e sob qual conjunto de condições de ensaio ocorre a maior transferência de calor. Os tubos de finned não atingiram fluxo turbulento. Os resultados mostraram que um tubo de barbatana vai transferir mais calor do que um tubo sem aletas nas mesmas condições de funcionamento porque o fluxo de MEG através do trocador de calor não atingirá a turbulência.

Na indústria agrícola, os trocadores de calor são utilizados no processamento de açúcar e etanol². Ambos os produtos são transformados em um suco, que deve ser aquecido para ser processado ainda mais². Os trocadores de calor são usados no aquecimento dos sucos para esclarecimento². Uma vez que os sucos tenham sido transformados em xaropes uniformes, é necessário um aquecimento adicional com os trocadores para continuar o processamento e formar melaço². O melaço é resfriado usando trocadores de calor, após o qual pode ser armazenado para processamento posterior².

Sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado, juntos conhecidos como HVAC, todos fazem uso de trocadores de calor³. As unidades de ar condicionado e aquecimento domésticos fazem uso de trocadores de calor³. Em ambientes maiores, plantas químicas, hospitais e centros de transporte fazem uso de um trocador de calor semelhante HVAC, em uma escala muito maior³. Na indústria química, os trocadores de calor são usados para aquecer e resfriar uma grande variedade de processos⁴. Fermentação, destilação e fragmentação fazem uso de trocadores de calor⁴. Ainda mais processos como retificação e purificação requerem trocadores de calor⁴.

1. Types of Heat Exchangers." Types of Heat Exchangers. N.p., n.d. Web. 19 Jan. 2017.
2. Heat exchangers for sugar factories and distilleries." Heat exchanger for sugar and ethanol industry. N.p., n.d. Web. 19 Jan. 2017.
3. Biotechnology and green chemistry heat exchangers." Heat exchanger for green chemical industry. N.p., n.d. Web. 19 Jan. 2017.
4. Heat exchangers for heating and cooling." Heat exchangers for district heating, cooling and HVAC. N.p., n.d. Web. 19 Jan. 2017.