1. 1. INTRODUÇÃO
Os trocadores de calor são amplamente empregados as indústrias. Para
que ocorra o processo de troca de calor entre dois fluidos é necessário que os
mesmos estejam em temperaturas diferentes (INCROPERA et al., 2008). Esse
processo de transferência de calor pode ser classificado de acordo com seu
processo: contato direto ou contato indireto. No contato indireto os fluidos não
estão em contato, assim não há uma mistura entre eles. O contato direto os
fluidos se misturam e as taxas de transferência de calor são superiores ao
contato indireto, mas sua aplicação é limitada em alguns casos (GEANKOPLIS,
1993).
Os trocadores de calor também podem ser classificados em função da
configuração do escoamento e do tipo de construção. Uma construção com
tubos concêntricos os fluidos quente e frio podem percorrer no mesmo sentido
(paralelo) ou em sentidos opostos (contracorrente) (Figura X). No escoamento
paralelo a temperatura de saída do fluido frio nunca pode ser superior a do fluido
quente. Ao contrário do fluido paralelo, no escoamento contracorrente a
temperatura de saída do fluido frio ser maior que a temperatura de saída do fluido
quente (INCROPERA et al., 2008).
Em outra configuração, os fluidos podem se mover em escoamento
cruzado, utilizando trocadores tubulares com ou sem aletas. Nos tubos com
aletas os fluidos não são se misturam, caso contrário ocorre quando utiliza-se
tubos sem aletas (INCROPERA et al., 2008).
Outra configuração muito utilizada é o trocador de calor casco e tubos.
Esse trocador pode variar de acordo com os números de passes no casco e nos
tubos. Nas formas mais simples onde envolve um único passe nos tubos e no
casco muitas vezes são instaladas chicanas com o intuito de aumentar o
coeficiente convectivo no fluido para induzir a turbulência e um componente de
velocidade na direção do escoamento (INCROPERA et al., 2008).
O desempenho de um trocador de calor está relacionado com as
temperaturas de entrada e saída dos fluidos, o coeficiente global de transferência
de calor e a área superficial total disponível para a transferência de calor. Outro
fator importante no cálculo para dimensionamento de trocadores de calor é a
2. diferença de temperatura entre os fluidos que pode ser calculada através da
temperatura média logarítmica (GEANKOPLIS, 1993).
Temperatura média logarítmica
A diferença de temperatura é a força motriz que determina a transmissão
de calor de uma fonte a um receptor. Os fluidos, de um modo geral, em um
trocador de calor sofrem variações de temperatura que não são lineares quando
as temperaturas são plotadas contra um comprimento, como pode ser observado
nas Figuras 1, 2, 3 e 4. Em cada ponto entre a entrada e a saída do trocador as
temperaturas assumem valores diferentes. Nota-se que não seria prático
calcular cada uma dessas temperaturas, deste modo faz-se uso da temperatura
média logarítmica - ∆𝑇 𝑚𝑙 (Equação 1).
∆𝑇 𝑚𝑙 =
(∆𝑇2 − ∆𝑇1)
ln (
∆𝑇2
∆𝑇1
)
Equação 1
Onde ∆𝑇1 e ∆𝑇2 são as diferenças de temperatura nas extremidades do
trocador de calor.
A direção relativa dos fluidos influi decisivamente no valor da diferença da
temperatura.
No escoamento em paralelo, as temperaturas ∆𝑇1 e ∆𝑇2 podem ser
calculadas pelas Equações 2 e 3:
∆𝑇1 = 𝑇𝑞𝑒 − 𝑇𝑓𝑒 Equação 2
∆𝑇2 = 𝑇𝑞𝑠 − 𝑇𝑓𝑠 Equação 3
Onde:
𝑇𝑞𝑒 e 𝑇𝑞𝑠 são respectivamente as temperaturas de entrada e saída do
fluido quente;
𝑇𝑓𝑒 e 𝑇𝑓𝑠 são respectivamente as temperaturas de entrada e saída do
fluido frio.
Para o escoamento em contracorrente, têm-se as Equações 4 e 5:
∆𝑇1 = 𝑇𝑞𝑒 − 𝑇𝑓𝑠 Equação 4
∆𝑇2 = 𝑇𝑞𝑠 − 𝑇𝑓𝑒 Equação 5
Onde:
3. 𝑇𝑞𝑒 e 𝑇𝑞𝑠 são respectivamente as temperaturas de entrada e saída do
fluido quente
𝑇𝑓𝑒 e 𝑇𝑓𝑠 são respectivamente as temperaturas de entrada e saída do
fluido frio.
Coeficiente Global de Transferência de calor
A determinação do coeficiente global é frequentemente a mais imprecisa.
Esse coeficiente é em função da resistência térmica total à transferência de calor
entre os fluidos (GEANKOPLIS, 1993).
Nos trocadores de calor convencionais, uma parede separa dois fluidos.
Em tais casos tem-se a transferência de calor por convecção nos dois lados da
parede e transferência de calor por condução pelo seu interior.
Quando mais de uma etapa de transferência de calor é envolvida,
emprega-se um coeficiente de transferência dito global (U), que pode ser
calculado por meio da Equação 6:
TAUqTOTAL
Onde:
qTOTAL = calor total transferido
U = coeficiente global de transferência de calor, tal como é definido
A = área de troca de referência, empregada na dedução de U
T = diferença de temperatura representativa entre o fluido quente e o
fluido frio
O coeficiente global de transferência de calor (U), pode ser calculado por
meio da Equação 6:
4. Questionário
1) A transferência de calor pode ocorrer pelo mecanismo da condução,
convecção e/ou radiação dependendo se ela se efetua através de sólidos ou de
fluidos, entre sólidos separados por fluidos, entre fluidos separados por uma
superfície sólida ou ainda entre superfícies sólidas entre as quais não existe
matéria.
O mecanismo da Condução de calor está associado à transferência de calor
efetuada ao nível molecular, por transferência de energia sensível. As partículas
mais energéticas (que se encontram em locais onde se regista uma maior
temperatura) transferem parte da sua energia vibracional, rotacional e
translacional por contato com outras partículas contíguas menos energéticas
(que se encontram a uma menor temperatura) as quais recebem essa energia.
Em geral, a convecção de calor é definida de uma forma mais abrangente,
associando-se o fenómeno da condução e o da transferência de calor em
presença de movimento macroscópico do fluido.
Designa-se por radiação térmica, toda a energia radiante emitida na gama de
comprimentos de onda 0,1 a 100 μm do espectro electromagnético . Resulta da
emissão e propagação de ondas electromagnéticas (ou fotões) por alteração na
configuração electrónica de átomos e moléculas. Qualquer corpo com uma
temperatura superior a 0K emite energia radiante.
2)
3) O coeficiente global é a soma dos vários coeficientes individuais de
transferência de calor e tanto o coeficiente global como os individuais são
inversos da resistência global e das resistências individuais, respectivamente.
No permutador de calor temos:
o coeficiente de filme do fluido exterior;
o coeficiente de filme do fluido interior;
o coeficiente de sujidade exterior;
o coeficiente de sujidade interior;
a condutividade térmica do material da parede do tubo;
5. a espessura da parede do tubo que é a diferença entre o diâmetro externo
e interno
.
http://www.proac.uff.br/petroleo/sites/default/files/TROCADOR_DE_CALOR_BI
TUBULAR.pdf