A Relação entre Carga Térmica, Trocador de Calor e Carga de Vapor

Cálculos para aplicações de troca de calor, incluindo cargas de projeto e requisitos de pressão/vazão de vapor

O vapor saturado é utilizado para fornecer calor primário a um fluido de processo em um trocador de calor. O termo trocador de calor é usado para descrever todos os tipos de equipamentos nos quais a transferência de calor é promovida de um fluido para outro. Por conveniência, essa definição ampla será aplicada ao termo trocador de calor. Embora os trocadores de calor casco-tubo e os trocadores de calor de placas sejam os principais referidos, o stall também pode ser relevante para aplicações incluindo baterias de aquecedores de ar, serpentinas submersas em tanques, vasos camiseta e calorificadores de armazenamento.

Aplicações com controle de temperatura Em uma aplicação com controle de temperatura, a temperatura de entrada do fluido secundário no trocador de calor pode mudar com o tempo. Isso significa que, para manter uma temperatura de saída do fluido secundário consistente, o calor fornecido ao trocador de calor também deve variar. Isso pode ser achieved utilizando uma válvula de controle na entrada do lado primário do trocador de calor, conforme mostrado na Figura 13.2.1. Uma válvula de controle é utilizada para variar a vazão e a pressão do vapor, de modo que o calor fornecido ao trocador de calor possa ser controlado. Modulando a posição da válvula de controle, controla-se a temperatura de saída do fluido secundário. Um sensor na saída do fluido secundário monitora sua temperatura e fornece um sinal para o controlador. O controlador compara a temperatura real com a temperatura ajustada e, como resultado, sinaliza o atuador para ajustar a posição da válvula de controle.

Para uma área de aquecimento e coeficiente de transferência de calor constantes, a taxa na qual o calor é transferido do vapor para o fluido secundário em um trocador de calor particular é determinada pela diferença média de temperatura entre os dois fluidos. Uma diferença maior nas temperaturas médias criará uma grande taxa de transferência de calor e vice-versa. Ao fechar parcialmente a válvula de controle, a pressão do vapor e a diferença de temperatura diminuem. Inversamente, se a válvula de controle for aberta de modo que a vazão mássica de vapor e, consequentemente, a pressão no trocador de calor aumentem, a diferença média de temperatura entre os dois fluidos aumenta.

Alterar a pressão do vapor também afetará ligeiramente a quantidade de energia térmica disponível no vapor em condensação, pois a entalpia de evaporação na verdade diminui com o aumento da pressão. Isso significa que o calor latente disponível por kg de vapor diminui à medida que a pressão do vapor aumenta. Se precisão na vazão de vapor for necessária, isso deve ser considerado. Exemplo 13.2.1 Um fabricante vai projetar um trocador de calor no qual a especificação exige vapor a 4 bar g para aquecer água secundária de 10°C a 60°C. A vazão de água deve ser constante em todas as cargas a 1,5 L/s. Assume-se que 1 litro de água tem uma massa de 1 kg, portanto a vazão mássica = 1,5 L/s x 1 kg/L = 1,5 kg/s.

O fabricante utiliza um coeficiente de transferência de calor ‘U’ para o trocador de calor de 2 500 W/m² °C. Tome o calor específico da água como 4,19 kJ/kg °C. Determine: (A) A carga térmica de projeto.

(B) A vazão de vapor correspondente.

Além disso, se a carga térmica mínima do cliente ocorrer quando a temperatura da água de entrada subir para 30°C, determine:

(D) A carga térmica mínima.

(E) A pressão de vapor correspondente no trocador de calor.

(F) A vazão de vapor correspondente. Cálculos: (A) Encontre a carga térmica de projeto usando a equação de vazão de transferência de calor (Equação 2.6.5): Para calcular a vazão de vapor correspondente, é necessário primeiro determinar a temperatura do vapor na condição de carga mínima. É possível usar os dados de ΔTLM de projeto para prever com precisão a temperatura do vapor para qualquer condição de carga, mas isso requer o uso de cálculos logarítmicos. No entanto, uma vez que o tamanho do trocador

está fixado e as temperaturas de projeto são conhecidas, é muito mais fácil prever as temperaturas de operação usando o que poderia ser chamado de Constante de Projeto de Temperatura (TDC) do trocador de calor.

O método TDC não requer cálculos logarítmicos. Observe: TDC não pode ser usado naquelas aplicações onde a vazão secundária varia ou onde o controle é achieved variando o nível de condensado no espaço de vapor. Nota: Ao dimensionar um trocador de calor, é normal que os fabricantes de trocadores de calor usem o método ΔTLM. Uma vez dimensionado, conhecendo a área de aquecimento e as temperaturas de operação em carga total, o TDC pode ser usado para prever com precisão todas as temperaturas de operação resultantes de mudanças de carga, como pode ser visto no texto a seguir. As temperaturas de operação também podem ser previstas graficamente usando o que é chamado de ‘Stall Chart’. Este método é discutido nos Módulos 13.5, 13.6 e 13.7. Constante de Projeto de Temperatura (TDC) Para qualquer tipo de trocador aquecido por vapor com o líquido secundário fluindo a uma taxa constante, o TDC pode ser calculado a partir das figuras de teste citadas pelo fabricante para carga total. Se esses conjuntos de dados não estiverem disponíveis e o trocador de calor já estiver instalado em operação, o TDC pode ser calculado observando a pressão do vapor (e encontrando a temperatura do vapor a partir de tabelas de vapor) e as correspondentes temperaturas de entrada e saída secundárias em qualquer carga.

O TDC é a razão das temperaturas de vapor para água na entrada e saída; e é mostrado na Equação 13.2.2. A equação TDC pode ser transposta para encontrar qualquer variável, desde que as outras três variáveis sejam conhecidas. As seguintes equações são derivadas da equação TDC (Equação 13.2.2).

Para encontrar a temperatura do vapor em qualquer carga, use a Equação 13.2.3: Para encontrar a temperatura de entrada do fluido secundário em qualquer carga, use a Equação 13.2.4: Para encontrar a temperatura de saída do fluido secundário em qualquer carga, use a Equação 13.2.5: Para qualquer trocador de calor com uma vazão secundária constante, a temperatura de operação do vapor pode ser calculada para qualquer combinação de temperatura de entrada e temperatura de saída.

No Exemplo 13.2.1, a temperatura de saída secundária permanece em 60°C, e a carga mínima ocorre quando a temperatura de entrada é 30°C. Qual é a temperatura do vapor na carga mínima?

Temperatura de entrada = 30°C

Temperatura de saída = 60°C (E) Encontre a pressão de vapor e entalpia correspondentes no trocador de calor na carga mínima

A partir de tabelas de vapor:

Uma temperatura de vapor de 115,2°C corresponde a uma pressão de vapor de 0,7 bar g.

A entalpia específica de evaporação a 0,7 bar g (hfg) = 2 215 kJ/kg

(F) Encontre a vazão de vapor na carga mínima:

De (D) a carga térmica mínima é 188,5 kW.

De (E) o hfg é 2 215 kJ/kg. Usando a Equação 2.8.1: