Calcular a área correta de transferência de calor é o passo mais crítico no projeto do trocador de calor de casca e tubo.enquanto uma unidade de grande tamanho desperdiça capital e pode causar baixa velocidade do lado do tubo levando à contaminaçãoEste guia apresenta a metodologia completa de cálculo com um exemplo prático.
Todo o dimensionamento do trocador de calor começa aqui:
Q = U × A × LMTD
Reorganização para resolver a área:
A = Q / (U × LMTD)
Calcular Q a partir do balanço energético do fluido de processo:
Q = ṁ × cp× ΔT
Onde?ṁé o caudal de massa (kg/s),cpé o calor específico (J/kg·K), eΔTé a variação da temperatura do fluido.
Exemplo:Refrigerar 10 kg/s de água de processo de 80°C a 40°C (cp≈ 4,180 J/kg·K):
Q = 10 × 4,180 × (80 - 40) =1,672 kW
A diferença de temperatura média de log representa a variação de temperatura ao longo do comprimento do trocador.
LMTD = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)
Donde ΔT1 e ΔT2 são as diferenças de temperatura em cada extremidade do trocador:
| Fim | Lado quente | Lado Frio | ΔT |
|---|---|---|---|
| Entrada (ΔT1) | 120°C (quente) | 35°C (frio fora) | 85°C |
| Saída (ΔT2) | 80°C (a quente) | 20°C (frio) | 60°C |
LMTD = (85 - 60) / ln ((85/60) = 25 / 0,3483 =710,8°C
Para as configurações de passagem múltipla ou de fluxo cruzado, multiplicar pelo fator de correção F (0,8×1,0) por norma TEMA.
O coeficiente global de transferência de calor U representa a resistência térmica combinada da condução da parede do tubo, da impureza em ambos os lados e dos coeficientes de película convectiva.
| Serviço | Par de fluidos | U (W/m2·K) |
|---|---|---|
| Água / água | Água de processamento / água de arrefecimento | 800 ¢1,500 |
| Óleo / Água | Óleo leve / água de arrefecimento | 300 ¢ 500 |
| Gás / Água | Gás de combustão / água de alimentação da caldeira | 30 ¢ 60 |
| Vapor / Água | Vapor de condensação / água de arrefecimento | 1,500 ¢4,000 |
| Química / Água | Solvente orgânico / água de arrefecimento | 250 ¢ 600 |
Para o nosso exemplo, selecionar U = 1.200 W/m2·K para o serviço água-água.
Coloque os valores na equação reorganizada:
A = Q / (U × LMTD) = 1,672,000 / (1,200 × 71,8) =19.4 m2
Adicionar uma margem de projeto de 1015% para a impureza e variabilidade operacional:
AProjeto= 19,4 × 1,15 =22.3 m2
A área necessária é fornecida fisicamente pelo conjunto de tubos:
A = n × π × do× L
Onde?né o número de tubos,doé o diâmetro exterior do tubo, eLé o comprimento efectivo do tubo.
Utilizando tubos OD de 19,05 mm com um comprimento efectivo de 3000 mm:
Área por tubo = π × 0,01905 × 3,0 =0.1795 m2
Tubos necessários = 22,3 / 0,1795 =125 tubos
| Fator | Impacto | Orientação |
|---|---|---|
| Fusão | Reduz a U ao longo do tempo | Incluir resistências à impureza TEMA; adicionar 10~25% de margem de segurança |
| Disponibilização de fluxo | Contra-fluxo maximiza LMTD | Utilize o contra-fluxo sempre que possível; aplique o fator F para passagens múltiplas |
| Disposição dos tubos | Afeta o fluxo do lado da concha e U | Ponto triangular para o serviço monofásico; quadrado giratório para o serviço de incrustação |
| Espaçamento de defleção | Controla a velocidade do lado da concha | Cortar: 25%; espaçamento: 0,2 × 1,0 × ID da carapaça |
| Limites de velocidade | Muito baixo → impureza; muito alto → erosão | Líquido: 1°3 m/s; Gás: 15°30 m/s |
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