ROCADOR DE CALOR EM SERPENTINA PARA AQUECIMENTO DE ÓLEO COMBUSTÍVEL: Separador de Água e Óleo

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O tanque 1 (fig. 1) é onde será armazenado esse óleo combustível pesado. Como a faixa de temperatura é a variável mais importante, pois saberemos através dela se foi alcançada a faixa ideal de viscosidade, essa última variável não será medida neste projeto. E como se trata de um produto inflamável e perigoso a saúde não será possível o uso desse combustível para exposição na aula, sendo o mesmo substituído por água fria (inicialmente a 25,3°) no tanque 1.

Figura 1 – Esquema do trocador de calor em serpentina do miniprojeto.

No interior do tanque 1 será instalada uma serpentina de cobre na qual passará o fluido quente, com temperatura especifica, que terá uma vazão constante, já que a bomba, segundo o manual de projeto e operação, deverá operar com válvula de descarga totalmente aberta. A água quente é advinda do tanque 2 (tanque de aquecimento com temperatura da água 55,0°C) que é composto de uma resistência elétrica do tipo ebulidor de 1000w de potencia tendo a finalidade de aquecer a água. A ideia é que a água quente no tanque 2 represente o condensado exausto de turbina à vapor que seria aproveitado como um projeto de integração energética. Ainda, no tanque 1 existe uma entrada e saída do fluido frio.

A transferência do fluido térmico (água quente) para circulação no interior da serpentina será feita por meio de uma bomba centrifuga usada em aquário. Após circular por dentro da serpentina o fluido recircula novamente para o tanque 2. Num projeto real essa recirculação significaria numa economia significativa de água e de produtos utilizados no processo de desmineralização desse recurso natural.

As medições de temperatura serão feitas na entrada e saída dos fluidos quente e frio em locais bastante representativos e de fácil instalação dos indicadores de temperatura. Serão feitas medições até que seja alcançado um regime estacionário.

No teto do tanque 2 haverá um suspiro para evitar a formação de vácuo durante o processo de bombeio.

Com o intuito de automatizar o processo e obter um melhor controle do sistema, podemos utilizar uma malha, como definida na figura 5, a qual controlamos a temperatura do óleo combustível através da vazão de condensado que passará pela serpentina. No experimento não pode ser testado, pois limitações no recurso, e pelo fato de que a bomba utilizada não permite que haja restrições em seu fluxo.

Figura 5: malha de controle de temperatura do óleo combustível

Utilizando um transmissor de temperatura, TT, o qual “Lê” a temperatura no tanque e transmite para a válvula TIC, localizada após a descarga da bomba centrifuga, que mandara mais ou menos condensado de acordo com a temperatura pré estabelecida através de um set point.

Materiais utilizados no protótipo: bomba de aquário de vazão 300L/h; serpentina de cobre de 5/16”; aquecedor elétrico tipo ebulidor de 1000W; mangueiras plásticas de 5/16”; válvula de aço inox de 3/8”; duas caixas de isopor de 17 litros; três termômetros digitais de -50 a 150°C; tubo de aço inox (para uso como suspiro do tanque 2);cola de silicone.

[pic 1]

Figura 2 – Equipamentos utilizados

[pic 2]

Figura 3 - Montagem

[pic 3]

Figura 4 - Montagem

2.1. Parâmetros do projeto em estado estacionário:

2.1.1.Temperatura de entrada do fluido frio: 25,3°C

2.1.2. Temperatura de saída do fluido frio: 36,8°C

2.1.3.Temperatura de entrada do fluido quente na serpentina: 55°C

2.1.4.Temperatura de saída do fluido quente na serpentina: 42,3°C

3.1.5.Vazão do fluido quente na serpentina: 0,00001667 m3/s

3.1.6. Vazão do fluido frio no tanque 1: 0,00001917 m3/s

3. EQUAÇÕES

Cálculo do ΔTml.

[pic 4]

Figura 5 – Temperatura da água(aquecendo) e temperatura do óleo(esfriando).

Cálculo de q pela equação da termodinâmica:

(1) (MORAN. Equação 17.89, página 493)[pic 5]

[pic 6]

(2)[pic 7]

Igualando a equação (1) com a (2), temos:

(3) => °C[pic 8][pic 9]

(4) (MORAN. Equação 17.96, página 495)[pic 10]

17,5932 (Cálculo no Excel)[pic 11]

Para encontrar o comprimento requerido nos tubos, temos que comparar o “q” encontrado na equação termodinâmica(equação (1) ou (2)) com o “q” da equação (5).

(5) (MORAN. Equação 17.89, página 493)[pic 12]

Sendo que ainda precisamos do U(Coeficiente Global de Troca Térmica)

Para encontrar o U, precisamos estimar o coeficiente de convecção do fluído quente(hq), estimar o coeficiente de convecção do fluído frio(hf) e encontrar a resistência de condução(Rw).

(Os dados calculados à seguir precisam da TABELA A.6 INCROPERA página 464)

Estimando o h do fluído quente:

Calculamos primeiro o número de Reynolds.

(6)[pic 13]

= 5331,34 (Fluxo Turbulento)[pic 14]

Correlação de Dittus–Boelter. Equação para fluxo turbulento.

(7) (MORAN. Equação 17.64, página 479)[pic 15]

(8)[pic 16]

Com essas duas equações de e olhando o Pr e Kw na tabela(TABELA A.6 INCROPERA, página 464), calculamos o coeficiente de convecção do fluído quente.[pic 17]

[pic 18]

Estimando