Orientador: Roger Josef Zemp

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: O uso de técnicas de intensificação da transferência de calor em equipamentos de troca térmica pode ocorrer em diferentes situações na indústria química devido ao dinamismo na operação de processos. Sendo assim, este trabalho estuda os efeitos da inserção de dispositivos intensificadores,...

Resumo: O uso de técnicas de intensificação da transferência de calor em equipamentos de troca térmica pode ocorrer em diferentes situações na indústria química devido ao dinamismo na operação de processos. Sendo assim, este trabalho estuda os efeitos da inserção de dispositivos intensificadores, como fitas torcidas, fios enrolados e anéis circulares, nos tubos de um trocador de calor casco-e-tubo em três situações: incorporação dos dispositivos no projeto de novos equipamentos, retrofit de trocadores de calor e mitigação de incrustações. Na primeira situação, o trabalho apresenta a estruturação de abordagens que visam identificar se há viabilidade técnica e econômica no uso dos dispositivos de aprimoramento; na segunda o objetivo é medir os ganhos de se incorporar os dispositivos no projeto e, na última, se o uso dessa técnica de intensificação também poderia contribuir com a redução na taxa de incrustação nos trocadores. Nos resultados de todos os casos estudados, pôde-se constatar uma eficiência considerável dos dispositivos no âmbito térmico, principalmente se o regime de escoamento for laminar; com a troca térmica aumentando desde duas a quase dez vezes. Em contrapartida, outro resultado observado foi um aumento na queda de pressão ainda mais intenso que o da transferência de calor, sendo esta a maior limitação no uso desta técnica, já que nem sempre a bomba do processo consegue compensar a nova perda de carga. Em relação à incorporação dos dispositivos ao projeto de trocadores de calor, notou-se que quando o objetivo é a redução da área do equipamento, eles não são efetivos, pois apesar de conseguir reduzir a área em relação ao projeto sem dispositivos, sua inclusão não traz vantagem econômica; entretanto a proposta de usar os dispositivos como uma alternativa ao aumento do número de passes do trocador em projeto trouxe resultados bastante promissores, reduzindo a queda de pressão do projeto final e o viabilizando economicamente. A respeito do retrofit, o uso de alguns dispositivos mais simples, que não aumentam tanto a queda de pressão, se mostrou bastante relevante, uma vez que essa opção é muito mais vantajosa economicamente em relação à compra de novos equipamentos que cumpririam o mesmo papel num cenário em que a intensificação da transferência de calor fosse exigida. Por fim, os resultados também foram positivos no uso deles na mitigação das incrustações, já que, na situação testada, os dispositivos conseguiram reduzir a taxa de incrustação do equipamento, mesmo numa situação em que se considera apenas os efeitos térmicos, excluindo os efeitos da turbulência que eles promovem

Abstract: The use of heat transfer enhancement techniques in heat exchangers can occur in different situations in a chemical industry due to the dynamism in process operation. So, this work study the effects of inserting devices, such as twisted tapes, coiled wires and circular rings, into the tubes...

Abstract: The use of heat transfer enhancement techniques in heat exchangers can occur in different situations in a chemical industry due to the dynamism in process operation. So, this work study the effects of inserting devices, such as twisted tapes, coiled wires and circular rings, into the tubes of a shell-and-tube heat exchanger in three situations: incorporating tube inserts in the design new heat exchangers, heat exchangers retrofit and fouling mitigation. In the first situation, the work presents the building of approaches which aim to identify if there is technical and economic feasibility in the use of tube inserts; in the second, the objective is measure the gains of incorporating the devices in the design and in the latter, if the use of this enhancement technique could also contribute to the reduction in heat exchangers¿ fouling rate. In the results of all cases studied, it was possible to observe a considerable efficiency of the inserts in the thermal scope, especially if the flow regime is laminar; with the heat transfer increasing from two to almost ten times. On the other hand, another result observed was that pressure drop increase is more intense than heat transfer¿s, being that the bigger limitation in the use of this technique, since process¿ pump will be not always able to compensate the new pressure drop. Regarding the tube inserts incorporation into equipment design, it was noted that when the objective is to reduce the equipment area, they are not effective, because although it was able to reduce the area in comparison to the one without the inserts, its inclusion does not bring economic advantage; however the proposal of using the devices as an alternative to increasing the heat exchanger number of passes brings results quite promising, reducing the final project pressure drop and making it economically viable. About the retrofit, the use of more simple inserts, that do not increase much the pressure drop, showed itself pretty relevant, since this option is much more economically advantageous in relation to buy new equipment which would fulfill the same role in a scenario that heat transfer enhancement would be required. Finally, the results also were positives in the use of them in fouling mitigation, because, in the tested situation, the inserts were able to reduce the equipment fouling rate, even in a situation where only the thermal effects were considered, excluding turbulence effects that they promote

Requisitos do sistema: Software para leitura de arquivo em PDF