Development of heat exchangers design algorithm for use in heat exchangers for use in network optimization

A abordagem tradicional da estimativa da área no procedimento de síntese de redes de trocadores de calor exige a escolha de um conjunto típico de coeficientes de transferência de calor. Uma vez obtida a topologia da rede de trocadores de calor, o projeto detalhado dos trocadores pode exigir a consideração de restrições nas quedas da pressão disponíveis, alterando os valores dos coeficientes de transferência de calor utilizados inicialmente na avaliação da rede e invalidando a otimização econômica da mesma. Com isso tem-se um aumento nos custos de projeto tanto na parte construtiva como na forma de bombas e/ou compressores do processo. Esta dissertação tem como finalidade elaborar uma nova abordagem que possibilite estimar a área de troca térmica a partir de uma relação entre quedas de pressão e coeficientes de transferência de calor no lado do casco e dos tubos. Assim, partindo das quedas de pressão permitidas das correntes pode-se estimar a área e os coeficientes de transferência de calor de um trocador de calor, munido de dados de processo como carga térmica, temperaturas, propriedades físicas e quedas de pressão no lado do casco e dos tubos, e possibilitando uma análise econômica mais correta da rede de trocadores de calor. Os métodos já disponíveis para esta finalidade possuem limitações uma vez que são baseados no método de Kern, que inclui severas simplificações no seu modelo, e o de Bell, que utiliza equações empíricas dependentes de aspectos geométricos. O procedimento de análise de trocadores de calor tipo casco e tubos de Wills & Johnston, utilizado neste trabalho, é uma alternativa bastante viável para este tipo de problema por ser considerado teoricamente mais preciso, baseando-se em equações hidráulicas para o cálculo da queda de pressão no lado do casco considerando os diversos caminhos do fluido no interior do casco.In the traditional approach of heat exchanger network synthesis the procedure for area targeting requires de choice of a set of typical heat transfer coefficients. After the heat exchanger network structure has been defined the individual exchangers are design. However, due to pressure drop restrictions the final heat exchanger design might require heat transfer coefficients that are very different from the one originally chosen, leading to increased exchanger area and increased capital cost. This work aims to develop a new that allows the estimate of a correct set of heat transfer coefficients and exchanger area based on available pressure drops. The propose procedure allows for the estimate of heat transfer coefficients and area based on the available pressure drops. Methods already available for this purpose show limitations: the method of Kern includes severe simplifications while the method of Bell uses empirical equations dependent on geometric aspects. The method of Wills & Johnston, used in the present work, is a very feasible alternative for this type of problem as it is based on the pressure drop of the different fluid paths inside the shell side of the exchanger