O documento descreve um experimento realizado com um trocador de calor de placas. O experimento avaliou a eficiência e o coeficiente de troca térmica em arranjos concorrentes e contracorrentes variando a vazão. Os resultados mostraram que a configuração contracorrente teve maior eficiência e coeficientes de troca térmica devido ao maior tempo de contato entre os fluidos.

1. Experimento de um Trocador de Calor a
Placas
Felipe Rutzen, Eduardo Antonio, Joceandro, Lukas, Marlon W.,
Roberto S. e Vinicius Vaz

2. Introdução
Um trocador de calor a placas é um dispositivo que utiliza placas finas e planas para facilitar
a transferência de calor entre dois fluidos, geralmente líquidos ou gases, que fluem em
canais separados. Este sistema opera por meio de um processo de troca térmica eficiente,
onde os fluidos entram em contato próximo um com o outro.

3. Especificamente, neste estudo, utiliza-se um trocador de
calor do tipo placa, composto por uma sequência de
placas planas corrugadas que servem como canais para
o fluxo dos fluidos. Nesse sistema, os fluidos quentes e
frios fluem em passagens alternadas, resultando em uma
troca de calor.
É relevante salientar que o trocador de calor do tipo placa
apresenta algumas desvantagens, tais como uma
elevada perda de carga devido ao espaço de fluxo
limitado, provocado pelas gaxetas utilizadas, o que pode
ocasionalmente resultar em vazamentos e corrosão. No
entanto, suas vantagens incluem flexibilidade de
aplicação, economia de espaço, facilidade de
manutenção e alto rendimento.

4. Conceitos Teóricos
No processo de montagem do trocador de calor, que é composto por placas metálicas
onduladas com cantos abertos, existe a flexibilidade de organizar as placas de diversas
maneiras, possibilitando encontrar a configuração que ofereça o melhor desempenho. A
montagem das placas pode resultar em diferentes configurações, incluindo escoamento
contracorrente ou concorrente, além da opção de utilizar passes simples ou múltiplos para
os fluidos que circulam entre as placas.

5. Uma vez que as placas estão conectadas, os fluidos fluem alternadamente em cada placa.
Dessa forma, a cada passagem, ocorre a troca de calor através das superfícies em contato
entre as placas. O trocador de calor a placas permite a recuperação direta de calor, o que
significa que é possível realizar o aquecimento e o resfriamento do mesmo fluido no mesmo
trocador. Além disso, o trocador com placas também possibilita a recuperação direta de
calor em situações em que um fluido realiza tanto o aquecimento quanto o resfriamento
dentro do mesmo dispositivo.

6. Para achar a altura manométrica utilizou-se a equação fornecida no equipamento:
Onde já tínhamos as 6 vazões predefinidas.
Revisão Bibliográfica

7. A equação qual define a eficiência na seção de regeneração é composta por:
E = (Ts,f - Te,f)/(Te,q - Te ,f) (1)
Onde, Te e Tf as temperaturas de entrada e saída dos fluidos frio (f) e quente (q).
Esta equação pode ser usada para comparar a eficiência térmica.
Já para definirmos o coeficiente global de troca térmica experimental (Uexp) pode ser
calculado através da equação (2):
q = Uexp.At.Tln (2)
Onde q:
q = (qf + qq)/2

8. Procedimento Experimental
O procedimento foi conduzido utilizando dois
arranjos de fluxo, nomeadamente, o arranjo
concorrente e o arranjo contracorrente. Para
isso, o trocador de calor foi equipado com
quatro válvulas do tipo gaveta, conforme
ilustrado na Figura 1.
No arranjo em contracorrente, o
procedimento implicou o ajuste das quatro
válvulas do circuito frio para criar um fluxo
oposto ao anterior, seguido pela medição
das temperaturas nas vazões de 1, 2, 3, 4, 5
e 6 litros por minuto.
Figura 1. Válvulas Tipo Gaveta

9. Para o arranjo em concorrente, o
procedimento envolveu as seguintes
etapas: ajuste das válvulas, abertura das
válvulas ao máximo, conforme indicado
pelo manômetro, com o objetivo de
purgar todo o ar do interior das placas;
ajuste da vazão no circuito quente para 4
litros por minuto, ligação do aquecedor
para atingir uma temperatura na faixa de
40 a 60°C, conforme ilustrado na Figura
2; por fim, o ajuste da vazão do fluido frio
para valores de 1, 2, 3, 4, 5 e 6 litros por
minuto, seguido da leitura dos valores
nos termopares instalados.
Figura 2. Temperatura dos Termopares

10. Resultados e Discussões
A análise do gráfico que relaciona a vazão
mássica com a eficiência revela que à medida
que a vazão aumenta, ocorre uma redução na
eficiência devido ao encurtamento do tempo
de contato entre os fluidos. É notável que a
principal vantagem do fluxo contracorrente em
comparação com o fluxo concorrente é que,
teoricamente, no fluxo contracorrente, a
temperatura do fluido frio pode atingir a
temperatura de entrada do fluido quente. Em
contraste, no fluxo concorrente, essa
temperatura alcança no máximo o ponto de
equilíbrio entre os dois fluxos.
Figura 3. Gráfico da eficiência em
razão da vazão.

11. Nas Figuras 4, 5 e 6, é possível
visualizar a comparação entre os
coeficientes de transferência de calor
obtidos no experimento e os valores
sugeridos na literatura.
Figura 4. Gráfico coeficiente de troca térmica experimental e teórico
(concorrente) em razão da vazão.
Figura 5. Gráfico coeficiente de troca térmica experimental
e teórico (contracorrente) em razão da vazão.
Figura 6. Gráfico coeficiente de troca térmica
experimental em razão da vazão.

12. Figura 7. Gráfico do calor médio trocado em razão da
vazão.

13. Conclusões
Durante a execução do trabalho, foi evidente que a configuração contracorrente demonstrou
uma maior eficiência em comparação à configuração concorrente. Isso se deveu ao fato de que
os valores calculados para os coeficientes globais de troca de calor teóricos foram mais
elevados na configuração contracorrente, assim como a temperatura de saída do fluido frio.
Além disso, observou-se que a eficiência diminui à medida que a vazão aumenta, devido à
redução do fluxo térmico e do coeficiente global de troca de calor.

14. Referências Bibliográficas
SMITH, J. Trocadores de Calor: Princípios e Aplicações. Editora ABC, 2018.
ÇENGEL, Yunus A. Transferência de Calor e Massa: uma abordagem prática. 3. ed. São Paulo: McGraw Hill,
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HOLMAN, J. P. Transferência de Calor. 10ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2010.
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