Trocadores de calor

1. Disciplina de Máquinas Térmicas
Trocadores de Calor
Sistemas de Refrigeração
Layzza Tardin S. Soffner

2. Formas de transferência de calor
• Desde o início do estudo de nossa
disciplina vimos como funcionam as
máquinas térmicas, máquinas que utilizam
princípios de transferência de calor para
atingir seu objetivo, sabemos que o calor
pode ser transferido de um corpo para
outro de três formas distintas: Condução,
convecção e irradiação.

3. Condução
• É a maneira pela qual o calor se propaga entre as menores
partículas dos corpos. Por exemplo, se a extremidade de
uma barra de metal é aquecida à outra extremidade também
se torna quente.
• Pela figura a seguir podemos verificar a condução do calor
através de uma barra de metal.Aderimos pequenas esferas
de cera sob a barra e aquecemos uma extremidade da
mesma.

4. Convecção
• A convecção consiste em uma troca de calor motivada
pela variação de densidade.
• Utilizaremos como exemplo um refrigerador. No instante
inicial o refrigerador está desligado. Quando o produto é
ligado, o ar que está em volta do evaporador (veremos
adiante mais detalhes deste componente) se torna frio e,
conseqüentemente, mais denso do que o ar em
temperatura ambiente, o que provocará um
deslocamento deste ar frio para a parte inferior do
refrigerador, porém, o espaço deixado por essas
partículas que desceram, será ocupado por outras
partículas que ao tornarem-se frias também ira para a
parte inferior do refrigerador, e assim varias vezes,
sucessivamente.

6. Irradiação
• É a forma de propagação do calor que permite a um
corpo incandescente propagar energia térmica sem
contato direto com o outro e sem mudar a temperatura
do meio intermediário entre ambos.
• A irradiação do calor do sol para atingir a terra percorre
milhões de quilômetros através do espaço. Os raios do
sol atravessam o vidro sem esquentá-lo muito.
• Superfícies claras são boas refletoras e irradiadoras de
calor.

7. Estados da matéria e Trocas de fase
• De acordo com o modo como são processadas, as
mudanças de estado físico, recebem as denominações:

8. Trocadores de calor
• Os trocadores de calor são equipamentos que
facilitam a transferência de calor entre dois ou mais
fluídos em temperaturas diferentes. Foram
desenvolvidos muitos tipos de trocadores de calor para
as mais diversificadas utilizações. Ar condicionado,
refrigeradores domésticos, radiadores de automóveis
são alguns exemplos de trocadores de calor comumente
encontrados.
• Além destes existem outros trocadores de calor com
aplicação industrial tais como caldeiras ou torres de
resfriamento.

9. Classificação dos trocadores de
calor

11. Critérios para localização do
fluido
a) O Fluido mais corrosivo, mais causador de
depósitos ou de maior pressão deve ficar do lado
dos tubos.
b) O Fluido mais viscoso ou os gases deve ser o do
casco.
c) A necessidade de materiais especiais é
usualmente mais econômica quando aplicados aos
tubos. (exemplo indústrias alimentícias).

12. Trocadores de
Armazenamento

13. Trocador Duplo Tubo
• Este tipo de trocador consiste em dois tubos concêntricos.
Um dos fluidos escoa pelo tubo e o outro pela parte anular
entre os tubos, em uma direção de contrafluxo. Este é
talvez o mais simples de todos os tipos de trocador de calor
pela fácil manutenção envolvida. É geralmente usado em
aplicações de pequenas capacidades.

14. Trocadores do tipo Casco
tubo:

17. • Os trocadores de calor casco e tubo,
também chamados de multi-tubulares, são
construídos de um feixe de tubos de
pequeno diâmetro (em geral ¼” a 1 ”) por
dentro dos quais escoa um dos fluidos.
Este feixe de tubos é envolvido por uma
carcaça, geralmente de forma cilíndrica,
escoando o outro fluido externamente ao
feixe através do espaço determinado pela
carcaça.

18. Trocador de calor tipo serpentina
• Este tipo de trocador consiste
em uma ou mais serpentinas
(de tubos circulares)
ordenados em uma carcaça.
A transferência de calor
associada a um tubo espiral
é mais alta que para um tubo
duplo. Além disso, uma
grande superfície pode ser
acomodada em um
determinado espaço
utilizando as serpentinas. As
expansões térmicas não são
nenhum problema, mas a
limpeza é muito
problemática.

20. Trocadores de calor tipo
placa
• Este tipo de trocador
normalmente é construído
com placas planas, lisas ou
com alguma forma de
ondulações. Geralmente,
este trocador não pode
suportar pressões muito
altas, comparado ao
trocador tubular
equivalente.

22. Trocadores de calor tipo
aletas

26. Radiadores
A temperatura do líquido de arrefecimento (refrigerante)
diminui devido a dissipação do calor no ar por meio das
aletas do radiador, quando o líquido de refrigeração passa
pelo tubo do radiador. Quanto maior for a superfície de
refrigeração, maior será a capacidade de arrefecimento do
radiador.

27. • É importante que o ar possa passar pelas aletas do
radiador, de modo que o calor seja dissipado do líquido
de arrefecimento para as aletas e para a atmosfera. Se
as aletas estiverem amassadas ou torcidas, não
permitirão a dissipação do calor por causa da restrição
de passagem do ar através das aletas, provocando
queda da capacidade de refrigeração. Se 1/3 ou mais
das aletas estiverem amassadas ou torcidas, deverão
ser separadas, usando uma chave de fenda de ponta
fina.

28. Torres de resfriamento
• As torres de resfriamento são largamente empregadas
para dispor do rejeito térmico dos processos industriais,
lançando o calor na atmosfera e não em um rio, lago ou
no oceano. Os tipos mais comuns incluem as torres de
resfriamento com tiragem natural ou com tiragem
forçada.
• No tipo com tiragem natural, pulveriza-se a água na
corrente de ar que ascende (sobe) através da torre por
convecção térmica.
• O recheio ou enchimento no interior da torre reduz a
velocidade média de queda das gotículas e aumenta o
tempo de exposição das gotículas a corrente de ar que
as resfria enquanto caem através da torre.
• Grandes torres de resfriamento de tiragem natural, com
mais de 100 metros de altura, formam construídas para
resfriar o despejo térmico das usinas geradoras de
energia elétrica.

29. Em usinas térmicas usam-se para resfriamento de
grandes capacidades, tipos especiais de torres por
convecção natural, Hiperbólicas que podem ser secas
ou úmidas.

32. Numa torre de resfriamento com tiragem forçada, a água é
pulverizada na corrente de ar que circula através da torre,
impulsiona-da por um ventilador que pode ser montado no
alto da torre, e aspira o ar para cima, ou do lado de fora da
base, de modo a impelir o ar para torre.

33. Torre de resfriamento com
tiragem forçada

34. Sistemas primitivos de
refrigeração
• Foi no final do século XVII, com a invenção do
microscópio, que foi possível verificar a existência de
bactérias e microscópios.
• Os alimentos que até então eram armazenados em
temperatura ambiente estragavam-se rapidamente,
então, com este novo invento verificou-se que quando
estes alimentos eram mantidos a baixas temperaturas
conservavam-se por mais tempo, sem a presenças de
bactérias.
• Para este armazenamento fazia-se necessário o gelo,
que era extraído na natureza, mas por questões
geográficas e climáticas surgiu a necessidade de
obtenção de gelo artificial, desta forma, pesquisadores
voltaram-se para busca de meios que permitissem a
fabricação do gelo.

35. • Os sistemas mais primitivos de refrigeração eram
constituídos simplesmente por um recipiente isolado de
meio externo por placas de cortiça, era então que
surgiam as primeiras geladeiras domésticas.
• Foi em 1955, na Alemanha, que surgiu o primeiro
equipamento capaz desta fabricação, baseado no
princípio da absorção.

36. Refrigeradores domésticos
• Ciclo de Refrigeração por compressão
• Pode-se chamar de ciclo de refrigeração, uma
situação onde, em circuito fechado, o gás
refrigerante, transformando-se sucessivamente
em liquido e vapor, possa absorver calor a baixa
temperatura e pressão pela sua evaporação e
rejeitar calor a alta temperatura e pressão pela
condensação.
• Na prática, isso é conseguido a partir de quatro
elementos fundamentais:

37. Componentes do ciclo
O Compressor: que aspira e comprime o vapor
refrigerante;
O Condensador: onde o vapor refrigerante é
condensado, passando ao estado líquido;
O Tubo capilar ou Válvula de Expansão: que abaixa a
pressão do sistema por meio de uma expansão
teoricamente isoentalpica e controla o fluxo de
refrigerante que chega ao evaporador;
O Evaporador: onde o calor latente de vaporização é
absorvido e enviado ao compressor, iniciando-se um
novo ciclo;

42. Refrigeradores de ar
• A exemplo do que ocorre com um refrigerador (geladeira), a
finalidade do ar condicionado é extrair o calor de uma fonte quente,
transferindo-a para uma fonte fria. Isto é possível através do
sistema evaporador e condensador.
• No aparelho de ar condicionado existe um filtro, em forma de
lençol, no qual passa o ar antes de ir para o evaporador, o que
permite eliminar umidade e impurezas.

43. • Componentes:
• Ventilador
• Em um aparelho de ar condicionado existe o ventilador
elétrico para forçar a passagem do ar. Comumente
utiliza-se um motor com eixo duplo, sendo numa
extremidade, colocado um ventilador do evaporador e
noutra o ventilador do condensador.
• Grupo Refrigerador
• Constam de compressor, evaporador e condensador.
(exatamente como o ciclo de refrigeração por
compressão)
• Termostato
• Tem por finalidade manter o ambiente a temperatura
desejada, interrompendo somente o funcionamento do
compressor, deixando o ventilador funcionando como
circulador e renovador do ar. O bulbo do termostato
deve ser colocado em contato com o ar ambiente que é
aspirado pelo ventilador.

44. Os Condicionadores de ar
podem ser divididos em três
categorias:
• Condicionador de ar residencial
– Não permite refrigerar mais de um ambiente;
• Sistema compacto de refrigeração
– De dois a três locais, mediante a instalação
de dutos. (capacidade varia entre 22.000 e
50.000 BTU)
• Sistema comercial
– Capacidade de refrigeração muito elevada
(entre 50.000 e 90.000 BTU)