TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM VASOS AGITADOS - Apostilas - Engenharia, Notas de estudo de Engenharia Química. Universidade Estadual do Norte Fluminense (UENF)
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GloboTV7 de Março de 2013

TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM VASOS AGITADOS - Apostilas - Engenharia, Notas de estudo de Engenharia Química. Universidade Estadual do Norte Fluminense (UENF)

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Apostilas de Engenharia Química e de Alimentos sobre o estudo da transferência de calor em vasos agitados, vasos com serpentinas, trocadores de calor de superfície raspada.
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TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM VASOS AGITADOS

Muitos processos químicos ou biológicos são realizados em vasos agitados. Nestes equipamentos, usualmente tanques cilíndricos com um sistema de agitação que é movimentado por meio de um motor elétrico. Estes equipamentos de troca térmica usualmente apresentam: i) um cilindro encamisado ou, ii) um recipientes com serpentinas, pois na maioria das aplicações é necessário aquecer ou resfriar os conteúdos do vaso durante a agitação. A troca térmica necessária é então obtida a partir da superfície da parede ou das serpentinas imersas no líquido. Recepiente (vaso) encamisado O equipamento pode ser utilizado para resfriamento ou aquecimento. Quando utilizado para aquecimento o fluido de aquecimento usual é vapor, que condensa junto a parede do vaso encamisado e sai na base do vaso como líquido saturado. O vaso pode apresentar alem do agitador, chicanas (defletores) cujo objetivo é evitar a formação de vórtex e melhorar as condições de mistura.

Figura 1 : Trocador de calor tipo vaso encamisado

As correlações para determinar o coeficiente de película (h) para fluidos newtonianos possuem a seguinte forma:

m

w

p b

at

k cNDa

k hD

 

  

  

  

  

  

 =

µ µµ

µ ρ 3

1 2

Onde h é o coeficiente de película do liquido agitado em (W/m2K); Dt é diâmetro do tanque (m); k a condutividade térmica (W/mK); Da o diâmetro do agitador (m); N a velocidade de agitação em (rps); ρ é a densidade do fluido (kg/m3) e µé a viscosidade em Pa.s. Todas as propriedades são avaliadas no seio do fluido exceto a µw que é calculada na temperatura da parede. Algumas correlações estão disponíveis e respectiva faixa o número de Reynolds ( µρ /2Re NDN a= ) são mostrados a seguir. Para o Coeficiente global de troca térmica são apresentados valores para condições mais usuais. Tipo de agitador/chicanas a b m NRe (min-max) Pá / sem 0,36 2/3 0,21 300 - 3x105

Turbina / sem 0,54 2/3 0,14 30 - 3x105 Turbina / com 0,74 2/3 0,14 500 - 3x105 Âncora / sem 1,0

0,36 ½ 2/3

0,18 0,18

10 - 300 300 - 3x104

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Parafuso / sem 0,633 1/2 0,18 8 - 105 Coeficientes globais de troca térmica em vasos encamisados

Fluido na camisa

Fluido no vaso

Material da parede

Tipo de agitação

U (W/m2K)

Vapor Água Cobre Sem com

852 1420

Vapor Pasta Cast iron Raspadores 710 Vapor Leite Cast iron Sem

com 1135 1700

Vapor Purê de tomate

Metal com 170

Vasos com serpentinas O coeficiente de película para vasos agitados com serpentinas para aquecer ou resfriar líquidos (figura 2) pode ser determinado por correlações que levam em consideração a presença ou não de chicanas.

Figura 2 : Vaso com aquecimento por serpentinas

Para um sistema sem chicanas temos:

14,03 162,02

87,0  

  

  

  

  

  

 =

w

pat

k cND

k hD

µ µµ

µ ρ

A equação é valida na faixa de NRe de 300 a 4x105. Na presença de chicanas com uma turbina plana temos a seguinte equação:

4,02,03 165,02 209,0 

 

   

  

  

  

  

  

  

 =

fb

pao

nk cND

k hD

µ µµ

µ ρ

Onde Do é o diâmetro do tubo da serpentina (m) e nb é o numero de chicanas verticais e µf é a viscosidade na temperatura média do filme. Valores para os coeficientes globais de troca térmica podem ser obtidos no livro Perry e Green. Trocadores de calor de superfície raspada. Suspensões solido-liquido, soluções aquosas ou orgânicas e numerosos produtos alimentícios como margarina, suco de laranja, são resfriados ou aquecidos em trocadores de superfície raspada. O equipamento consiste em cilindro encamisado. Na parte interna um eixo gira e lâminas raspam o material da parede.

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Figura 3: Trocador de calor de superfície raspada.

O líquido viscoso escoa a baixa velocidade entre a parede interna e o eixo giratório. As lâminas raspam continuamente a superfície prevenindo sobreaquecimento e proporcionando uma rápida transferência de calor. A seguinte equação é utilizada para predizer o coeficiente de película do trocador.

( ) 53,0 55,062,0)(

B SpS n D D

v DN

k cvDD

k hD

  

  

  

    

  

  

  

 − =

βµ µ ρα

Onde D é o diâmetro do vaso (m); Ds é o diâmetro do eixo (m); v é a velocidade axial (m/s); N a velocidade de rotação (rev/s) e nB o número de lâminas do raspador. Para líquidos viscosos α=0,014 ; β=0,96 Para líquidos não viscosos α= 0,039 ; β=0,7 Os valores típicos para U (W/m2K) Material Fluido de resfriamento U Margarina Amônia 1700 Creme de leite Água 2270 Exercício Um recipiente encamisado aquecido com vapor, provido com agitador tipo pá sem chicanas é utilizado para aquecer um liquido a 37,8oC. o diâmetro do recipiente é de 1,22m e o diâmetro do agitador é de 0,406m e esta girando a 150 rpm. A temperatura da parede e de 93,3 oC. As propriedades do liquido são ρ = 977 kg/m3; Cp = 2,72 kJ/kg.K ; k = 0,346 Wm.K e µ = 0,100kg/m.s a 37,8oC e 7,5x10-3 a 93,3oC. Calcule o coeficiente de transferência de calor na parede do taque encamisado.

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