- Vazão Secundária Variável - Temperatura de Entrada Constante - Temperatura de Saída Constante
Vazão variável com temperatura de entrada/saída constante
Nem todos os trocadores de calor precisam operar com uma vazão secundária constante. Aplicações típicas podem incluir o fornecimento de água quente para processos em batelada, como tanques e cubas. O fornecimento de água quente para cada tanque é controlado por meio de uma válvula esfera liga-desliga ou uma válvula globo modulante; não há recirculação de água de volta ao trocador de calor. A água de reposição fria é simplesmente aquecida conforme a demanda de água quente, conforme representado na Figura 13.6.1. Uma válvula de controle modulante no fornecimento de vapor ao trocador de calor regula a temperatura da água quente sendo retirada. A água de reposição fria pode ser fornecida de uma rede pressurizada, e sua temperatura pode variar sazonalmente. Sua temperatura mais baixa provável deve ser considerada ao avaliar a condição de stall.
O gráfico de stall também pode ser usado nesses tipos de instalações, mas o método de construção para trocadores de calor casco-tubo é ligeiramente diferente do usado para vazão secundária constante. Este método é descrito abaixo.
A primeira parte deste método é muito semelhante à mostrada no Exemplo 13.5.1. Com referência à Figura 13.6.2, a temperatura do vapor no trocador de calor sob condições de carga total (Ponto A) deve ser marcada no eixo vertical esquerdo. A temperatura de saída desejada do fluido secundário deve então ser marcada no eixo vertical direito (Ponto B).
A temperatura de entrada do fluido secundário (Ponto C) também deve ser marcada no eixo vertical esquerdo.
A linha horizontal representando a contrapressão do sistema também deve ser marcada neste gráfico. Esta temperatura deve ser marcada no eixo vertical direito no ponto D, com uma linha reta conectando-a à mesma temperatura no eixo vertical esquerdo no ponto E.
Com referência à Figura 13.6.3, a linha de carga secundária BC deve ser traçada conectando os pontos B e C. Uma linha horizontal deve então ser traçada de onde BC cruza a ordenada de 50% de carga até o eixo direito. Isso representa a temperatura média do fluido secundário, e é mostrada como ponto F.
O ponto da temperatura média do fluido secundário F deve então ser conectado por uma linha reta diagonal ao ponto de temperatura do vapor A no trocador de calor sob carga total, criando a linha AF.
A linha de contrapressão DE intersectará a linha de vapor AF, ou estará acima do ponto A no gráfico. O ponto de interseção entre as linhas AF e DE marca o ponto de stall, onde a pressão do vapor e a contrapressão são iguais. Uma linha vertical pode ser baixada a partir do ponto de stall, para indicar quando a condição de stall ocorre.
O ponto onde esta linha vertical cruza o eixo horizontal inferior (Ponto G) deve marcar a porcentagem de carga. Como no exemplo anterior, se a linha DE estiver acima do ponto A, o stall ocorre em todas as condições de carga.
A porcentagem de carga de stall também pode ser calculada usando a Equação 13.6.1:
A temperatura mínima do vapor
Deve-se notar que a temperatura mínima de operação do vapor é igual à temperatura do ponto de ajuste no ponto B. Isso ocorre em 70°C no gráfico de stall, Figura 13.6.4, e é representado pelo ponto H na linha de vapor AF.
Na prática, à medida que a carga térmica diminui, e a temperatura do vapor se aproxima da temperatura de controle secundária no ponto H, as mudanças na temperatura do vapor ocorrem lentamente em vez da mudança rápida de etapa sugerida no ponto H na Figura 13.6.4. A temperatura do vapor tenderá a cair de maneira semelhante à mostrada na Figura 13.6.5. É difícil e desnecessário traçar esta linha em um gráfico de stall, enquanto a Figura 13.6.4 é prática e fácil de usar.
Referindo-se à Figura 13.6.4, pode-se ver neste exemplo que a temperatura do vapor em qualquer carga inferior a 37% é 70°C. Na verdade, a queda gradual na temperatura do vapor é mais parecida com a representada na Figura 13.6.5, mas a diferença é tão pequena que é insignificante em relação à seleção e dimensionamento do dispositivo de drenagem.
Exemplo 13.6.1
A pressão do vapor dentro de um trocador de calor casco-tubo com uma vazão secundária variável em carga total é 8 bar g, a pressão na linha de condensado é 0,5 bar g, e há uma elevação de 7 metros após a armadilha. Em carga total, o fluido secundário entra no trocador de calor a 30°C e sai do trocador de calor a 90°C com uma vazão de 3,64 L/s.
Qual é a porcentagem de carga no stall, e qual é a vazão secundária através do trocador de calor no stall?
A temperatura de saturação do vapor a 8 bar g é 175°C. Portanto, a temperatura do vapor no trocador de calor em carga total é 175°C. Isso deve então ser plotado como ponto A na Figura 13.6.6.
A temperatura de saída do fluido secundário de 90°C deve ser plotada como ponto B, enquanto a temperatura de entrada do fluido secundário de 30°C deve ser plotada como ponto C.
A elevação na linha de condensado de 7 m cria uma diferença de pressão de 0,7 bar, além da pressão de 0,5 bar g na linha de condensado. Portanto, a contrapressão total do sistema é 1,2 bar g. Como a temperatura de saturação do vapor a 1,2 bar g é 123°C, a linha horizontal DE representando a contrapressão é traçada nesta temperatura na Figura 13.6.6.
Neste exemplo, a porcentagem de carga (Ponto G) é aproximadamente 55%. Isso significa que a vazão do líquido secundário deve reduzir para 55% da vazão máxima para que o stall ocorra, ou seja, 55% de 3,64 L/s = 2 L/s. Isso pode ser verificado matematicamente usando a Equação 13.6.1.
A maioria das aplicações de trocadores de calor será de vazão variável ou temperatura variável, conforme descrito acima e nos Módulos anteriores do Bloco 13.
No entanto, também pode haver casos em que tanto a vazão quanto a temperatura de entrada do fluido secundário variam. Nesses exemplos, torna-se mais difícil determinar seu efeito combinado por interpretação do gráfico de stall. Sistemas como esses podem ser analisados comparando os resultados de ambos os métodos mostrados acima e usando o pior caso.