trocador de calor

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Trocadores de Calor
Definição
Recuperadores
Tipos de Trocadores
Correntes paralelas
Multipasses e correntes cruzadas
Coaxiais
Trocador de Calor de Casco e Tubos
Compactos
Cálculo de um Trocador de Calor
DTML
Coeficiente global de transferência de calor
NUT
Aplicações de Trocadores de Calor
Torres de Refrigeração
Condensadores
Evaporadores
Leito Fluidizado
Codicionadores de ar
Aquecedores
Alambique
Radiador Automotivo
Manutenção de um Trocador
Referências Bibliográficas
Créditos

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TROCADOR DE CALOR
Trocador de calor é o dispositivo usado para realizar o processo da troca térmica entre dois fluidos
em diferentes temperaturas. Este processo é comum em muitas aplicações da Engenharia.
Podemos utilizá-los no aquecimento e resfriamento de ambientes, no condicionamento de ar, na
produção de energia, na recuperação de calor e no processo químico. Em virtude das muitas
aplicações importantes, a pesquisa e o desenvolvimento dos trocadores de calor têm uma longa
história, mas ainda hoje se busca aperfeiçoar o projeto e o desempenho de trocadores, baseada na
crescente preocupação pela conservação de energia.
Trocador do tipo casco-tubo
RECUPERADORES

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TIPOS DE TROCADORES DE CALOR
Os trocadores de calor podem ser classificados de acordo com:
- A disposição das correntes dos fluidos: correntes paralelas, contracorrente, correntes cruzadas e
multipasse.
- Tipo de construção: segundo a construção os trocadores podem ser de tubos coaxiais, casco e
tubos e compactos.
Multipasse e com Correntes Cruzadas
Multipasse
Existem situações em que, devido a restrições de espaço, econômicas ou condições técnicas
específicas opta-se por construir trocadores com multipasse nos tubos e ou no casco.
Trocadores de Calor de Correntes Cruzadas
Nos trocadores de calor de correntes cruzadas, os fluidos se deslocam com correntes
perpendiculares uma à outra. Neste caso os trocadores podem ser aletados ou sem aletas,
diferindo-se pelo fato dos fluidos que se movem sobre os tubos estarem não misturados ou
misturados respectivamente. No primeiro caso o fluido é não misturado, pois as aletas impedem o
movimento na direção transversal à direção principal da corrente, o que já é possível nos tubos
sem aletas, e as variações de temperatura, neste caso ocorrem principalmente na direção principal
da corrente.
Nos dois casos anteriores é possível aplicar as equações já apresentadas para trocadores em
corrente e contracorrente simples, com a seguinte modificação:
onde ΔTml cc é o calculado para contracorrente e F pode ser obtido dos ábacos abaixo para cada
caso.

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Trocador de Calor de Tubos Coaxiais
Trocador de Calor de Casco e Tubos
- Trocador de Calor casco e tubos com um passe no casco e um passe nos tubos (Contracorrente).

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- Trocador de Calor casco e tubos
a - Um passe no casco e dois passes nos tubos.
b - Dois passes no casco e quatro passes nos tubos.
Feixe tubular com tubos espiralados (alto rendimento térmico)
Trocadores de Calor Compactos
Os trocadores de calor compactos são usados, tipicamente, quando se deseja ter uma grande área
de transferência de calor por unidade de volume e pelo menos um dos fluidos é um gás. Um bom
exemplo é o radiador do sistema de refrigeração dos motores automotivos.
Existem muitas configurações diferentes de tubos e de placas, cujas diferenças se devem
principalmente ao modelo e à disposição das aletas. As características da transferência de calor e
do escoamento foram determinadas para configurações específicas e se apresentam, nos casos
típicos, no formato das Figs. 1 e 2. Os resultados para a transferência de calor estão
correlacionados pelo fator j de Colbum e pelo número de Reynolds, com o número de Stanton (St =
h/Gcp) e o de Reynolds baseados na velocidade mássica máxima
A grandeza s , é a razão entre a área mínima de escoamento livre das passagens aletadas (área
da seção reta perpendicular à direção da corrente) Aff e a área frontal Afr do trocador. Os valores
de s, de Dh (diâmetro hidráulico do canal de escoamento), de a (área superficial de transferência

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de calor por unidade do volume do trocador), Af /A (razão entre a área das aietas e a área total de
transferência de calor) e de outros parâmetros geométricos estão listados para cada configuração.
A razão Af /A é usada para estimar a efetividade térmica n,. Num cálculo de projeto, a será usado
para a determinação do volume do trocador de calor, depois de a área da superfície de
transferência de calor ser achada; num cálculo de desempenho, este parâmetro será usado para
determinar a área superficial a partir do conhecimento do volume do trocador de calor.
No cálculo de um trocador de calor compacto, utilizam-se inicialmente informações empíricas,
como as das Figs. 1 e 2, para determinar o coeficiente de convecção médio das superfícies
aletadas. O coeficiente global de transferência de calor seria então determinado ou pelo método da
DTML ou pelo método E-NUT e depois prosseguiriam os cálculos de projeto, OU de desempenho,
do trocador de calor.
A perda de carga associada ao escoamento através de um feixe de tubos aletados, como os das
Figs. 1 e 2, pode ser calculada.
Figura A
Vi e v0 são os volumes específicos do fluido na entrada e na saída e vm. = (vi + v0)/2. A primeira
parcela no segundo membro refere-se aos efeitos da aceleração ou da desaceieração do fluido ao
passar através do trocador de calor enquanto a segunda parcela refere-se às perdas provocadas
pelo atrito do fluido. Numa certa configuração do miolo do trocador, o fator de atrito é uma função
do número de Reynolds como, por exemplo, está nas Figs. 1 e 2 num trocador de tamanho
determinado, a razão entre as áreas pode ser estimada pela relação (A/Aff) = (a V/s Afr) onde V é o
volume total do trocador.

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Figura B
O trabalho clássico de Kays e London dá o fator de Colburn j e o fator de atrito para muitos
trocadores de calor compactos, com diferentes miolos, e inclui configurações com tubos chatos
(Fig. 11.5a) e com chapas aletadas (Fig. 11.5d, e), e também outras configurações com tubos
circulares (Fig. 11.5b, c).
CÁLCULO DE UM TROCADOR DE CALOR
Os problemas de projeto, análise e ou desenvvolvimento de um trocador de calor para uma
finalidade específica podem ser classificados em dois grupos principalmente: problema de projeto e
problema de desempenho. A solução de um problema é facilitada pela adoção do método mais
adequado a ele.
O problema de projeto é o da escolha do tipo apropriado de trocador de calor e o da determinação
das suas dimensões, isto é, da área superficial de transfeência de calor A necessária para se
atingir a temperatura de saída desejada. A adoção do método da ΔTML é facilitada pelo
conhecimento das temperaturas de entrada e saída dos fluidos quente e frio, pois então Δ Tml pode
ser calculada sem dificuldade.
Um outro problema é aquele no qual se conhecem o tipo e as dimensões do trocador e se quer
determinar a taxa de transferência de calor e as temperaturas de saída quando forem dadas as
vazões dos fluidos e as temperaturas na entrada. Embora o método da DTML possa ser usado
neste cálculo de desempenho do trocador de calor, o procedimento seria tedioso e exigiria iteração.
Isto poderia ser evitado com a aplicação do método do NUT.

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Método da DTML
Para prever ou projetar o desempenho de um trocador de calor, é essencial relacionar a taxa global
de transferência de calor a grandezas como as temperaturas de entrada e de saída, o coeficiente
global de transferência de calor e a área superficial total da transferência de calor.
Foge do objetivo do presente documento o desenvolvimento matemático e deduções das fórmulas
relativas aos processos de troca de calor. Portanto serão apresentadas as necessárias ao estudo,
análise e projeto de trocadores, sem maiores justificativas.
Pela aplicação de balanços globais de energia ao fluidos quente e frio, temos:
Relacionando-se a taxa total de transferência de calor q à diferença de temperatura dT entre os
fluidos quente e frio, temos:
dTml é a diferença de temperatura média apropriada para cada caso, a saber: trocador de calor
com correntes paralelas ou contracorrente, multipasse e correntes cruzadas.
Observações:
Para a dedução das fórmulas acima algumas hipóteses foram consideradas:
• O coeficiente total de transmissão de calor é constante em todo o comprimento da trajetória.
• O calor específico é constante.
• Não existem mudanças de fase parciais no sistema, isto é, vaporização ou condensação. A
dedução se aplicará para trocas de calor sensível e quando a vaporização ou condensação for
isométrica em todos os pontos de trajetória.
• As perdas de calor para o ambiente são desprezíveis.
1) Condições operacionais especiais:
Podemos ter 3 condições especiais de funcionamento de trocadores
1) Quando a capacidade calorífica do fluido quente é muito maior que do fluido frio
Neste caso Ch tende para o infinito quando temos uma condensação. Graficamente teremos uma
reta paralela de temperatura do fluido quente ao eixo dos x.
2) Quando a capacidade calorífica do fluido frio é muito maior que do fluido quente
Neste caso Cc tende para o infinito quando temos uma evaporação. Graficamente teremos uma
reta paralela de temperatura do fluido frio ao eixo dos x.

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3) Quando a capacidade calorífica do fluido quente e frio são iguais e sua diferença de temperatura
é igual
Teremos graficamente duas retas de temperaturas paralelas entre si.
O COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Este coeficiente se define em termos da resistência térmica total à transferência de calor entre os
dois fluidos. Durante a operação normal de um trocador de calor, as superfícies ficam sujeitas a
incrustações de impureza dos fluidos , à formação de ferrugem e a outras reações entre os
materiais do fluido e das paredes, aumentando assim a resistência à transferência de calor entre os
fluidos, influindo assim, neste coeficiente. As aletas, por aumentarem a área superficial diminuem a
resistência a transferência convectiva de calor, influindo assim no coeficiente global de
transferência de calor. Estes dois efeitos podem ser incluídos nos cálculos deste coeficiente
através da formula:
Método do NUT
É uma questão simples o uso do método dTml para analizar um trocador de calor quando as
temperaturas de entrada dos fluidos são conhecidas e as temperaturas de saída ou são
especificadas ou se determinam com facilidade pelas espressões do balanço de energia. Mas
quando se conhecem somente as temperaturas de entrada este método exige um processo
iterativo. Neste caso é preferível usar uma outra abordagem, o método denominado efetividade-
NUT.

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Novamente não apresentaremos as deduções matemáticas das fórmulas utilizadas, por fugir do
escopo do presente trabalho. As necessárias serão apresentadas suscintamente, fornecendo
apenas o necessário para a compreensão do trabalho e o cálculo efetivo de um trocador.
Para definir a efetividade de um trocador de calor, devemos determinar inicialmente a taxa máxima
possível de transferência de calor, qmáx , no trocador.
onde Cmín é o menor dos dois valores
.
A efetividade é definida como a razão entre a taxa real de transferência de calor no trocador de
calor e a taxa máxima possível de transferência de calor,
Se a efetividade e as temperaturas de entradas forem conhecidas, a taxa real de transferência de
calor pode ser determinada pela expressão
Para qualquer trocador pode-se mostrar que
onde o NUT é um admensional (número de unidades de transferência que se define como
A questão final e crucial para aplicação deste método é relacionar a efetividade e o NUT, assim
pode-se resolver qualquer problema específico com facilidade e rapidez. Tais relações estão
apresentadas abaixo em duas tabelas. Usa-se a mais conveniente.

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Em muitos casos é possível e conveniente para maior rapidez e comodidade utilizar os gráficos que
relacionam diretamente efetividade e NUT, mesmo com um pequeno prejuizo na precisão dos
cálculos.
Abaixo relacionados os gráficos para os casos mais comuns:

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Aplicações de Trocadores de Calor
Os trocadores de calor desempenham papel importante nas diversas áreas do conhecimento e
pesquisa científica e aplicações tecnológicas.
Na indústria são usados para aquecer ou resfriar fluidos para usos diversos. São encontrados sob
a forma de torres de refrigeração, caldeiras, condensadores, evaporadores, leito fluidizado,
recuperadores...
Dispositivos de conforto ambiental e conservação de alimentos, como condicionadores de ar,
aqucedores de água domésticos e frigoríficos se baseam fundamentalmente em trocadores de
calor.
A produção de bebidas destiladas utiliza esta tecnologia; alambiques, por exemplo.
A comercialização de outras, ídem; chopeiras, por exemplo.
A manutenção da temperatura adequada ao funcionamento dos motores de automóveis é
conseguida através de radiadores.
Podemos imaginar uma infinidade de aplicações para este dispositivo; a transferência otimizada e a
conservação de energia sob a forma de calor é um desafio constante; trocadores de calor mais
eficientes e baratos uma necessidade.
Não poderíamos deixar de lembrar que a facilidade de manutenção é uma condicionante do
projeto, já que deverá ser executada periodicamente para garantir a eficiência do trocador;
incrustações aumentam a resistência térmica, diminuem a taxa de troca de calor, portanto devem
ser retiradas.

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Torres de Refrigeração
Condensadores
Evaporadores

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Leito Fluidizado

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Aquecedores
Radiador
Manutenção de um Trocador

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
* INCROPERA, Frank P.; WITT, David P. Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, LTC,
Rio de Janeiro, 1992.
* KERN, Donald Q. Processos de Transmissão de Calor, Guanabara Dois, Rio de Janeiro, 1980,
671p.
* BEJAN, Adrian. Transferência de Calor, Edgard Blücher Ltda, São Paulo, 1996.
* STOECKER, Wilbert F. Refrigeração e Ar Condicionado, McGraw-Hill, São Paulo, 1985.