laboratório de engenharia quimica

1. UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
COORDENAÇÃO DE ENGENHARIA QUÍMICA
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA III
PROF.: FABIO ALEJANDRO CARVAJAL FLOREZ
Jessica Prado Ramos Marinho
Luciano Da Costa Pereira
Marta Emilia Pereira Louzeiro
Yuri Da Silva Pereira
TROCADOR DE CALOR DE PLACAS
São Luís - MA
2016

2. Jessica Prado Ramos Marinho
Luciano Da Costa Pereira
Marta Emilia Pereira Louzeiro
Yuri Da Silva Pereira
TROCADOR DE CALOR DE PLACAS
São Luís - MA
2016
Relatório apresentado como requisito para
obtenção da nota parcial, da disciplina
Laboratório de Engenharia Química III do
curso de Engenharia Química da
Universidade Federal do Maranhão.
Prof. Fabio Alejandro

3. 3
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .......................................................................................4
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.................................................................4
2.1Transferência de Calor............................................................................................. 4
2.2 Trocadores de Calor................................................................................................ 5
2.3 Classificação dos trocadores de calor ..................................................................... 5
2.3.1 Trocador Casco e Tubo........................................................................................ 6
2.3.2 Trocador tipo placa .............................................................................................. 6
2.4 Coeficiente global de troca de calor........................................................................ 7
2.5 Média logarítmica das diferenças de temperatura – MLDT................................... 8
2.6 O método da efetividade - NUT.............................................................................. 9
3 OBJETIVO GERAL................................................................................10
4 MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................10
4.1 Materiais e Equipamentos....................................Error! Bookmark not defined.0
4.2 Procedimento Experimental.................................Error! Bookmark not defined.1
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ................ Error! Bookmark not defined.2
5.1 Resultados ............................................................Error! Bookmark not defined.3
5.2 Discussão .............................................................Error! Bookmark not defined.7
6 CONCLUSÃO ............................................................................................................. 23
REFERÊNCIAS ............................................................................................................. 23

4. 4
1 INTRODUÇÃO
Transferência de calor ou calor é a energia térmica em trânsito devido a uma
diferença de temperaturas no meio. O processo de troca de calor entre dois fluidos que
estão a diferentes temperaturas e se encontram separados por um meio sólido ocorre em
um trocador de calor, que pode ser classificado de acordo com a natureza da transferência
e ao tipo de construção. (BIRD, 2004)
Quando se classifica os trocadores de calor de acordo com a natureza da
transferência, têm-se trocadores de contato direto e de contato indireto. Nos trocadores
de calor de contato direto, os dois fluidos se misturam, já nos trocadores de calor de
contato indireto, os fluidos permanecem separados e o calor é transferido continuamente
através de uma parede, pela qual se realiza a transferência de calor. (INCROPERA, 2008)
Um tipo de trocador de contato indireto é o trocador de calor de placas, que é uma
unidade de transferência de calor constituída de placas. Elas servem como superfícies de
transferência de calor montadas em uma estrutura rígida que criam canais de fluxo
paralelos para a passagem de líquidos e gases. (INCROPERA, 2008)
Os trocadores de calor são equipamentos de extrema importância para a engenharia.
Foram desenvolvidos muitos tipos de trocadores de calor para diversos campos da
indústria, como usinas elétricas, usinas de processamento químico, ou em aquecimento e
condicionamento de ar. Existem também aplicações domésticas bastantes comuns como
em geladeiras e ar condicionados.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1Transferência de Calor
Transferência de calor é a energia térmica em trânsito devido a uma diferença de
temperaturas no meio. Os modos de transferência de calor são a condução, a convecção
e a radiação térmica. (BIRD, 2004)
A condução ocorre quando há uma diferença de temperatura em um meio
estacionário, que pode ser sólido ou fluido, ocorrendo, então, a transferência de energia
das partículas com mais energia para as demais. Já a convecção, se refere à transferência
de calor que ocorre entre uma superfície e um fluido em movimento, quando eles possuem
diferentes temperaturas. E, a radiação térmica é a emissão de energia pela matéria que se

5. 5
encontra a uma temperatura diferente de zero, estando essa matéria no estado sólido,
líquido ou gasoso. (INCROPERA, 2008)
2.2 Trocadores de Calor
O processo de troca de calor entre dois fluidos que estão a diferentes temperaturas
e se encontram separados por um meio sólido ocorre em muitas aplicações de engenharia.
O equipamento utilizado para executar essa operação é denominado trocador de calor, e
possui vastas aplicações que vão desde o aquecimento de ambientes e no
condicionamento de ar, até o processamento químico. (INCROPERA, 2008)
2.3 Classificação dos trocadores de calor
Os trocadores de calor podem ser classificados em função da configuração do
escoamento, podendo esse ser em paralelo, em contracorrente ou cruzado. No escoamento
paralelo, os fluidos entram pela mesma extremidade, fluem no mesmo sentido e deixam
o equipamento na mesma extremidade. Já na configuração contracorrente, os fluidos
entram por extremidades opostas, escoam em sentidos opostos e deixam o equipamento
em extremidades opostas. E, finalmente, no escoamento cruzado, os fluidos se movem
perpendicularmente um ao outro. (INCROPERA, 2008)
Outra classificação envolve a natureza de transferência de energia e as
características de construção dos trocadores. Em relação à natureza de transferência,
podem ser classificados como contato direto e indireto. Em um trocador de contato direto,
os dois fluidos se misturam e o fluido de maior temperatura cede calor para o fluido de
menor temperatura. Quando esse tipo de trocador é utilizado, há, além da transferência
de calor, transferência de 6 massa. Logo, são limitadas aos casos onde um contato direto
de dois fluxos é permissível, sendo um exemplo de aplicação torres de resfriamento.
(FILHO, 2003)
Em trocadores de contato indireto, os fluidos permanecem separados e o calor é
transferido continuamente através de uma parede. Eles são subdivididos em trocadores
de transferência direta e trocadores de armazenamento. Nos trocadores de transferência
direta, há um fluxo contínuo de calor do fluido quente ao frio através da parede que os
separa. Podem ser citados os trocadores de placa, os tubulares e os de superfície estendida
como exemplos. E, nos trocadores de armazenamento, ambos os fluidos percorrem
alternativamente as mesmas passagens de troca de calor e a superfície de troca de calor é

6. 6
denominada matriz. Esse trocador também é conhecido como regenerador. (FILHO,
2003)
Quanto à classificação em função da característica de construção, os trocadores de
calor podem ser divididos em trocadores tubulares, tipo placas, de superfície estendida e
regenerativos, sendo os mais empregados os dois primeiros. Os trocadores tubulares são
geralmente construídos com tubos circulares e são aplicados em transferências de calor
do tipo líquido/ líquido e de gás/gás, principalmente quando pressões e/ou temperaturas
operacionais são muito altas, onde nenhum outro tipo de trocador pode operar. Esses
trocadores podem ser classificados como carcaça e tubo, tubo duplo e de espiral.
(GENEROSO, 2012)
2.3.1 Trocador Casco e Tubo
Este tipo de trocador tubular é constituído de alguns tubos e uma carcaça. Um dos
fluidos passa por dentro dos tubos e o outro passa pelo espaço entre a carcaça e os tubos.
Existem vários modelos desses trocadores, que variam de acordo com a transferência de
calor desejada, o desempenho, facilidade de limpeza, entre outros. Esse trocador permite
também a instalação de chicanas. Elas aumentam o coeficiente convectivo no fluido do
lado do casco, causando assim turbulência e um componente de velocidade na direção do
escoamento cruzado. Além disso, as chicanas apóiam fisicamente os tubos, provocando
a redução da vibração dos tubos induzida pelo escoamento. (INCROPERA, 2008)
Há uma padronização na distribuição dos tubos, e a sua quantidade é determinada
pela capacidade de ser alocado em um diâmetro pré-determinado.Há também
padronização no que se refere ao espaçamento entre as chicanas. Sua redução resulta ao
aumento do coeficiente de troca de calor do lado do casco [2,4]. Este tipo de trocador é
muito usado pois ele comporta uma grande variedade de capacidades e condições
operacionais, por exemplo, altas pressão e temperatura, fluidos corrosivos, viscosos etc.
Além disso, podem ser feitos de uma variedade de materiais e são extensivamente usados
em processos industriais. (FILHO, 2003)
2.3.2 Trocador tipo placa
Consiste em um suporte onde placas independentes de metal, sustentadas por
barras, são presas por compressão, entre uma extremidade móvel e outra fixa. Entre placas

7. 7
adjacentes formam-se canais por onde os fluidos escoam. Esse trocador não suporta
pressões muito altas, se comparado ao trocador tubular equivalente. (FILHO, 2003)
Foi implementado nas indústrias nos anos 30, no ramo alimentício, devido a sua
facilidade de limpeza. Além disso, ele traz outras vantagens, como facilidade de acesso a
superfície de troca e substituição de placas, flexibilidade de alteração da área de troca
térmica, fornecimento de grandes áreas de troca ocupando pouco espaço, operação com
mais de dois fluidos, elevados coeficientes de transferência de calor, redução da
incrustação, entre outros. (GENEROSO, 2012).
2.4 Coeficiente global de troca de calor
Na transferência de calor, o coeficiente global de troca de calor, U, é apresentado
como uma maneira de sistematizar as diferentes resistências térmicas equivalentes
existentes num processo de troca de calor entre duas ou mais correntes de fluido. Ele é
definido por uma expressão análoga à Lei de resfriamento de Newton, utilizando a
Equação (1):
𝑞 = 𝑈. 𝐴𝑠. ∆𝑇 (1)
Onde:
q é taxa de transferência de calor;
U é o coeficiente global de transferência de calor
As é área de troca térmica;
∆𝑇 é diferença entre a temperatura da superfície exposta e a temperatura do fluido.
U também pode ser relacionado à resistência térmica total, e essa relação é expressa
pela equação (2):
𝑈 =
1
𝑅𝑡𝑜𝑡−𝐴
(2)
Onde:
𝑅𝑡𝑜𝑡 é a resistência térmica total;
A é a área onde ocorre a transferência.

8. 8
Ao longo da operação de trocadores de calor, as superfícies estão sujeitas à
deposição de impurezas dos fluidos, à formação de fuligem ou a outras reações entre o
fluido e a parede. A formação de um filme, ou biofilme, ou de incrustações sobre a
superfície pode aumentar a resistência à transferência de calor entre os fluidos. Esse efeito
é considerado nos cálculos através da introdução de uma resistência térmica adicional, o
fator de deposição, Rd. Seu valor depende da temperatura de operação, da velocidade de
fluido e do tempo de serviço do trocador de calor.
Além disso, podem ser adicionadas aletas que, ao aumentarem a área superficial,
reduzem a resistência térmica à transferência de calor por convecção. Assim com a adição
do fator de deposição e das aletas, o coeficiente global de troca de calor pode ser calculado
pela Equação (3):
1
𝑈.𝐴
=
1
𝑈𝑓𝐴𝑓
=
1
𝑈𝑞𝐴𝑞
=
1
( 𝜂𝑜.ℎ.𝐴) 𝑓
+
𝑅"𝑑𝑓
( 𝜂𝑜.𝐴) 𝑓
+ 𝑅𝑝 +
𝑅"𝑑𝑞
( 𝜂𝑜.𝐴) 𝑞
+
1
( 𝜂𝑜.ℎ.𝐴) 𝑞
(3)
Onde:
Rp é a resistência condutiva da parede;
𝜂𝑜 é a eficiência global da superfície ou efetividade da temperatura de uma
superfície aletada.
2.5 Média logarítmica das diferenças de temperatura – MLDT
Para projetar ou prever o desempenho de um trocador de calor é essencial relacionar
a taxa total de transferência de calor 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. Ao fazer os balanços globais de energia nos fluidos quente e frio,
e, considerando, que os fluidos não passam por uma mudança de fase e os calores
específicos são constantes, a taxa de transferência de calor, para os fluidos quente e frio,
é dada pelas Equações (4) e (5), respectivamente:
As temperaturas que aparecem nas expressões se referem às temperaturas das
médias dos fluidos.

9. 9
Essas equações são independentes da configuração do escoamento e do tipo de
trocador de calor.
A Equação (6) pode ser obtida pela relação entre a taxa de transferência de calor
total q, ao coeficiente global de troca de calor, U, e à diferença de temperaturas, ∆𝑇, entre
os fluidos quente e frio, que varia de acordo com a posição no trocador de calor:
2.6 O método da efetividade - NUT
Quando não são conhecidas as temperaturas dos fluidos de saída num trocador de
calor, o uso do método MLDT é complicado. Então, é necessário utilizar um
procedimento alternativo, conhecido como método da efetividade (NUT).
Para definir a efetividade de um trocador de calor, primeiro determina-se a taxa de
transferência de calor máxima possível de um trocador, qmax, representada pela equação
(7):
(7)
Onde Cmin é a menor capacidade calorífica entre os fluidos quente e frio.
Naturalmente, o fluido que tiver maior C vai sofrer a menor variação de
temperaturas entre sua entrada e saída, logo é necessária a utilização de Cmin nos
cálculos.
A efetividade é, então, definida como a razão entre a taxa de transferência de calor
real em um trocador de calor pela máxima troca de calor possível em igualdade de
condições. Essa relação é apresentada pela equação (8):
𝑞
𝑞𝑚𝑎𝑥
= 𝜀 (8)
Por definição, a efetividade, que é adimensional, está no intervalo 0 ≤ 𝜀 ≤ 1.

10. 10
O número de unidades de transferência, NUT, é um parâmetro
adimensional amplamente utilizado na análise de trocadores de calor e sua definição é
simplificada por algumas considerações: regime permanente; calores específicos
independentes da temperatura; escoamento totalmente desenvolvido para que o
coeficiente global de troca térmica não seja função da posição. Relacionando a NUT com
a troca térmica:
(9)
3 OBJETIVO GERAL
Determinar o coeficiente global de troca de calor térmica em um trocador de calor
de placas, que é medida do desempenho do trocador de calor e a transição do regime de
escoamento de laminar para o turbulento.
4 MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 Materiais e Equipamentos
Figura 1. Trocador de Calor a placas.
• Trocador de calor de placas confeccionado em aço inoxidável, com medidores de
temperatura na entrada e saída dos fluidos quente e frio;
• Tanque de pulmão com resistência elétrica para armazenamento de água quente;

11. 11
• Bomba para a circulação de fluido quente;
• Painel de aquisição de dados;
• Tubulações, válvulas e mangueiras.
Figura 2. Modelo de trocador de calor de placa
4.2 Procedimento Experimental
Antes de começar o experimento, será necessário checar se todos os equipamentos
estão em devidas condições. Como a energia fornecida ao sistema é relativamente baixa
em relação ao volume de liquido a ser aquecido, serão necessárias algumas horas para
que o sistema realmente tenha significantes variações de temperatura. (aqui da para
colocar sobre ligar a parte que esquenta a água antes de começar o experimento)
Ao ligar todos os equipamentos, checar o posicionamento das válvulas (aberta ou
fechada) para que não haja nenhum aumento de pressão em alguma linha. Abaixo segue
os passos do experimento:
1. Predeterminar três vazões para sistema de água quente, delimitando
em nível baixo (VQ1), médio (VQ2) e alto (VQ3);
2. Predeterminar três vazões para sistema de água fria, delimitando
em nível baixo (VF1), médio (VF2) e alto (VF3);

12. 12
3. Preencher tabela 1 com todos os valores das vazões, tanto as de
água fria com as de água quente;
4. Abrir válvula de água fria e controlar a vazão com o uso do
rotâmetro. A válvula será ajustada até que tenhamos a vazão VQ1;
5. Abrir válvula de água quente e controlar a vazão com o uso do
rotâmetro. A válvula será ajustada até que tenhamos a vazão VF1;
6. Ao final de ter controlado as duas vazões (quente e fria), será
necessário esperar o sistema estabilizar;
7. Anotar os valores e após o sistema entrar em regime estacionário;
8. Repetir 8 vezes os passos 3,4,5 e 6, mas agora com as interações
(VQ1 x VF2), (VQ1 x VF3), (VQ1 x VF3), (VQ2 x VF1), (VQ2 x VF2), (VQ2 x
VF3), (VQ3 x VF1), (VQ3 x VF2) e (VQ3 x VF3);
9. Completar tabela 2 com todos os dados recolhidos;
VF1 600
VF2 300
VF3 200
VQ1 100
VQ2 200
VQ3 350
Tabela 1- valores das vazões
VAZÕES
(L/h)
ÁGUA FRIA ÁGUA QUENTE
Fluido
Quente
Fluido
Frio
Te(°C) Ts(°C) Te(°C) Ts(°C)
600
100 27,9 37,7 60,9 57,3
200 27,9 37,9 60,0 54,7
350 28,2 45,3 58,1 50,1
300
100 27,9 32,1 57,5 51,5
200 27,9 35,6 57,0 48,1
350 28,2 43,3 55,8 43,0
200
100 27,9 31,7 55,2 48,1
200 28,0 35,4 55,0 43,8
350 28,1 41,8 54,1 39,6
Tabela 2 - Dados obtidos

13. 13
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1 Resultados
Conforme observado na tabela 3, temos os dados da temperatura de entrada e saída
do liquido quente e frio, ambos a água. Com a aplicação da equação 4 e 5, estimou-se o
calor absorvido e cedido pelo fluido frio e quente respectivamente, Qfrio e Qquente. Para fins
práticos, a vazão foi convertida para vazão mássica, assim como a taxa de transferência
de calor foi calculada em watts, ambas unidades do SI.
Vazões (kg/s) Água Fria Água Quente
TFrio
(ºC)
TQuente
(ºC)
Qfrio
(W)
Qquente
(W)
Água
Quente
Água
fria
Te(°C) Ts(°C) Te(°C) Ts(°C)
0,1663
0,0277 27,9 37,7 60,9 57,3 9,8 3,6 1135,1 2501,8
0,0554 27,9 37,9 60 54,7 10 5,3 2316,5 3683,2
0,0970 28,2 45,3 58,1 50,1 17,1 8 6932,0 5559,5
0,0832
0,0277 27,9 32,1 57,5 51,5 4,2 6 486,5 2084,8
0,0554 27,9 35,6 57 48,1 7,7 8,9 1783,7 3092,5
0,0970 28,2 43,3 55,8 43 15,1 12,8 6121,3 4447,6
0,0554
0,0277 27,9 31,7 55,2 48,1 3,8 7,1 440,1 1644,7
0,0554 28 35,4 55 43,8 7,4 11,2 1714,2 2594,4
0,0970 28,1 41,8 54,1 39,6 13,7 14,5 5553,7 3358,9
Tabela 3 – Dados da temperatura de entrada e saída para diferentes vazões e suas
variações de temperatura e taxa de transferência dos fluidos.
Observa-se uma disparidade entre o previsto pela literatura e o obtido
experimentalmente, pois há uma grande discrepância entre o calor cedido pelo fluido
quente e o absorvido pelo fluido frio, pois como trata-se de um trocador de calor, onde o
fluido frio e o quente são o mesmo, a água, o calor perdido pelo fluido quente deveria ser
absorvido pelo fluido frio, e, portanto, ambos deveria sofrer uma variação de temperatura
proporcional, assim como quantidade de calor recebida e cedida aproximadamente igual,
o que não ocorre em todos os casos. Existem diversas possibilidades que justificam essas
possíveis disparidades, uma delas é a consideração do calor especifico da agua como
sendo constante para a faixa de temperatura trabalhada, ressalva-se também que sempre
existe a possibilidade de erros experimentais e de medições, pôs tratando-se de um
equipamento antigo, pode-se considerar que o termostato pode estar com problemas e não

14. 14
ter realizado a medida de temperatura com a devida exatidão. Também considera-se a
possibilidade de incrustações, que reduzem a eficiência do trocador, ou seja, nem todo o
calor perdidos pelo fluido quente seria absorvido pela fluido frio, ou mesmo a
possibilidade de perda de calor para o ambiente, o que também reduziria
significativamente a eficiência, já que o sistema não é perfeitamente isolante do meio
externo.
Para a determinação do coeficiente global da taxa de transferência de calor foi
necessário calcular a área de troca térmica, para isso utilizou-se as medidas do
equipamento obtidas no catálogo disponibilizado no site do fabricant.
Placas Área (m2)
Altura(m) 0,3109 3,76065
Largura(m) 0,112
Espessura(m) 0,001
Tabela 5 – Dados do fabricante do trocador de calor
O calor perdido pelo fluido quente e o calor absorvido pelo fluido frio conforme
mostrada na tabela 3, e citado anteriormente, foram determinados usando a equação 4 e
5. Em seguida calculou-se uma média dos dois valores como sendo o valor representativo
do calor trocado entre os fluidos. Calculou-se a média logarítmica da temperatura
utilizando a equação 12, e por últimos, com o dado da área de contato entre os fluidos, ou
seja, a área de todas as placas do trocador de calor, nesse caso, igual a 3,76065 m²,
podemos determinar utilizando a equação 15, o coeficiente global de troca de calor.
VAZÕES (KG/S)
TFRIO
(ºC)
TQUENTE
(ºC)
TML
QFRIO
(W)
QQUENTE
(W)
Q
(W)
UEXPERI
(W/M2
K)ÁGUA
QUENTE
Água fria
0,1663
0,0277 9,8 3,6 26,2 1135,1 2501,8 1818 18,5
0,0554 10 5,3 24,4 2316,5 3683,2 3000 32,7
0,097 17,1 8 16,9 6932 5559,5 6246 98,0
0,0832
0,0277 4,2 6 24,5 486,5 2084,8 1286 14,0
0,0554 7,7 8,9 20,8 1783,7 3092,5 2438 31,2
0,097 15,1 12,8 13,6 6121,3 4447,6 5284 103,2
0,0554
0,0277 3,8 7,1 21,8 440,1 1644,7 1042 12,7
0,0554 7,4 11,2 17,6 1714,2 2594,4 2154 32,5
0,097 13,7 14,5 11,9 5553,7 3358,9 4456 99,6
Tabela 6 - Cálculo do coeficiente global de transferência de calor

15. 15
A variação do coeficiente global de transferência de calor, para uma mesma vazão,
cresce com o aumento dessa vazão e decresce com a diminuição dessa vazão. Ou seja,
quanto maior a vazão seja do fluido frio ou do fluido quente, ocasiona maior turbulência
que faz com que aumente a transferência de calor entre os fluidos. Essa variação devido
a alteração da vazão se faz notar fortemente. Isso é coerente porque o aumento da
velocidade implica uma melhora na transferência de calor por convecção.
Avaliou-se a eficiência do sistema, calculando a efetividade pelo método do NTU,
utilizando conforme cita a literatura, a equação 16. Obteve-se os seguintes resultados,
conforme mostrado na tabela a seguir.
VAZÕES (kg/s) ε
Fluido
Quente
Fluido
frio
0,166 0,028 0,476
0,166 0,055 0,403
0,166 0,097 0,515
0,083 0,028 0,375
0,083 0,055 0,362
0,083 0,097 0,551
0,055 0,028 0,165
0,055 0,055 0,344
0,055 0,097 0,740
Tabela 7 – Valores da efetividade para cada valor de vazão de fluido frio e quente.
Para demostrar de forma mais clara, plotamos os gráficos a seguir, de efetividade
em função das vazões, primeiramente, no gráfico 1, mantendo a vazão do fluido quente e
variando apenas a vazão do fluido frio. No gráfico 2, mantendo constante o valor da vazão
do fluido frio e variando apenas a vazão do fluido quente verificou-se como a efetividade
se altera com o mesmo.

16. 16
Gráfico 1 – Comportamento da efetividade com o aumento da vazão do fluido frio.
Observa-se que no gráfico acima a efetividade cresce linearmente com o aumento
da vazão do fluido frio, observa-se que essa linearidade é notada mais claramente para
quando a vazão do fluido quente está a baixas vazões, no caso em especifico a vazão do
fixa do fluido quente foi de 0,055 kg/s.
Em seguida vamos verificou-se, através do gráfico 2 o comportamento da
efetividade quando manteve-se a vazão do fluido frio constante e varia a vazão do fluido
quente.
Gráfico 2 – Comportamento da efetividade com o aumento da vazão do fluido quente.
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.700
0.800
0.000 0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 0.120
ε
Vazao do Fluido Frio (Kg/s)
0.340
0.350
0.360
0.370
0.380
0.390
0.400
0.410
0.000 0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 0.120 0.140 0.160 0.180
ε
Vazao do Fluido Quente (kg/s)

17. 17
Observa-se o mesmo tipo de comportamento que o anterior, ou seja, a efetividade
aumenta quando aumentamos a vazão do fuido quente. Observa-se então que o
crescimento da vazão dos fluidos, ambos, quentes e frio, influencia positivamente na
efetividade. Embora algum dado na tabela esteja em discrepância com essa tendência,
podemos estimar que trata-se de erros experimentais.
5.2 Discussão
1) O grupo deverá definir uma aplicação industrial de troca térmica,
contextualizando em um determinado processo químico, a qual utilizara agua como
fluido frio.
Trocadores de calor são largamente usados na indústria tanto para resfriamento e
aquecimento em larga escala em processos industriais.
Na Indústria de vinhos e cervejarias o trocador é utilizado para diminuir a
temperatura do mosto para que esteja adequado para início da fermentação. Os três
processos básicos de preparação da cerveja são a mostura, fervura e fermentação. Na
mostura são retirados os açúcares fermentáveis do malte, obtendo-se o mosto. O mosto é
fervido por uma ou duas horas, tempo em que é acrescido o lúpulo conforme o sabor e
aroma desejado. Depois o mosto é separado do lúpulo e resfriado. O rápido resfriamento
do mosto após o cozimento faz parte do processo, devendo sua temperatura ficar próxima
a temperatura ambiente. O trocador de calor utilizado nesse processo, utiliza agua como
liquido frio, para a finalidade da produção da cerveja, ele é chamado de pasteurizador.
2) Analise crítica do experimento, com sugestões de possíveis melhorias
e principalmente uma análise de todas as fontes de erros experimentais que o grupo
julgar importante e significativas, com uma projeção das variáveis que mais
influência nos cálculos das grandezas desejadas.
Alguns dos problemas mais comuns dos trocadores de calor, problema esse que
pode reduzir drasticamente sua eficiência, são as incrustações. Esse problema é mais
frequente quando se usa água rica em detritos biológicos, que pode se vincular/precipitas
as placas do trocador de calor, formando camadas, diminuindo os coeficientes de
transferência térmica. Esse problema pode existir mesmo utilizando fluidos isentos de
detritos ou qualquer outro tipo de sujeira, pois a agua é uma substancia que pode
potencializar a corrosão dos materiais, placas e etc do trocador. Outro problema comum

18. 18
é o "tártaro", ou incrustação calcária, que é composto de camadas depositadas de
compostos químicos, como carbonato de cálcio ou carbonato de magnésio, relacionados
com a dureza da água. As precipitações dessas impurezas podem ser causadas pelo uso
frequente do trocador de calor, ausência de limpeza do mesmo, redução da velocidade
dos fluidos movendo-se através do trocado de calor, superdimensionamento do trocador
de calor.
Efeitos de incrustação são mais abundantes nos tubos quentes dos trocadores de
calor que em tubos frios. Isto é causado porque impurezas são menos facilmente
dissolvidas num fluido frio. Isto é porque, para a maioria das substâncias, a solubilidade
aumenta quando a temperatura aumenta
É importante que sempre haja manutenção nesses trocadores de calor
Trocadores de calor de placas precisam ser desmontados e limpos periodicamente.
Alguns tipos de trocadores de calor podem ser limpos por métodos tais como a limpeza
ácida, jateamento, jato de água de alta pressão, limpeza por bala, ou por hastes. é
importante que a agua utilizada seja destilada de forma a reduzir os problemas de
incrustações.
Entre as variáveis que mais influência nos cálculos das grandezas desejadas,
podemos destacar as variáveis intrínsecas da configuração do trocador de calor, tais como
as áreas das placas, a espessura das placas, a condutividade das placas e número de placas.
Vale ressaltar que as condições de escoamento, laminar ou turbulento, também altera a
eficiência ou capacidade do trocador de calor, essa condição pode ser avaliada alterando
a vazão volumétrica testada no trocador.
3) Determinação dos coeficientes global de transferência de calor, os
parâmetros a e b para cálculo de Nu e a quantidade de calor trocada.
O comportamento térmico de um trocador de calor de placas pode ser modelado
pelas seguintes equações. Na qual Q é a carga térmica, U é o coeficiente global de
transferência de calor, 𝑨 é a área de troca térmica, ∆𝑻 𝒎𝒍 é média logarítmica de
temperaturas e Ft é o fator de correção da média logarítmica de temperaturas.
Qmed = A × U × ∆Tml × Ft (10)
A carga térmica do trocador é determinada experimentalmente, por meio do balanço
de energia das correntes. A média logarítmica de temperaturas também é determinada

19. 19
experimentalmente, através dos valores das temperaturas de entrada e de saída das
correntes. A área de troca térmica é conhecida e o fator de correção da média logarítmica
foi especificado pelo fabricante na configuração empregada. Desse modo, através da
Equação 10, determina-se o coeficiente global de troca térmica U do trocador. Para um
trocador sem incrustações, esse coeficiente é uma função das resistências convectivas dos
fluidos e condutiva da placa, como escrito na Equação 11, na qual hq e hf são os
coeficientes convectivos dos fluidos nos dois lados dos canais, L é a espessura da placa e
k é sua condutividade térmica.
𝑈 =
1
ℎ 𝑞
+
1
ℎ 𝑓
+
𝐿
𝑘
(11)
Aonde, ∆𝑇 𝑚𝑙 é determinado da seguinte maneira:
(12)
Os coeficientes convectivos são uma função das características de escoamento e de
propriedades termodinâmicas e de transporte dos fluidos. Como se trata de um trocador
água / água, se forem mantidas as mesmas condições de vazão para a corrente quente e a
fria, os coeficientes hq e hf serão próximos entre si, já que se trata de uma geometria
semelhante no escoamento. Uma das propostas desse trabalho é avaliar esses coeficientes,
através de uma correlação como aquela indicada na Equação 12. Nessa equação, Nu é o
número de Nusselt, Re o número de Reynolds e Pr o número de Prandtl. Os coeficientes
,  e  são ajustados por meio dos resultados experimentais, e nesse trabalho admitiu-
se que  seria igual a 1/3, valor esse encontrado em muitas correlações apresentadas em

20. 20
literatura, usualmente utiliza-se os valores de 0,7 e 0,4 como sendo os valores de  e ,
respectivamente.
𝑁𝑢 =
1
2
ℎ𝐷
𝑘
=  𝑅𝑒
𝑃𝑟
(13)
Qmed= média aritmética entre a quantidade de calor transferida do produto e da
água de resfriamento
Qmed =
Qfrio+Qquente
2
(14)
Portanto,
U =
Qmed
A×∆Tml
(15)
Calculando a efetividade (ε) e o número de unidades (de calor) transferidas (NUT)
O método da efetividade nos fornece:
ε =
Qmed
Qmax
(16)
Qmax = Cmin × (Tqe − Tfe) (17)
Qmed = Mp × Cp × (Tqe − Tqs) (18)
Calcula-se o Cmin para o fluido quente e para o fluido frio, sendo que o menor
valor encontrado, será o valor a ser utilizado no cálculo da efetividade e NUT.
Cmin = Mq × Cp (19)
4) Analise e discussão dos resultados obtidos e também comentários
sobre a influência da vazão do escoamento dos fluidos quente e frio.
As propriedades físicas de maior interesse na troca térmica são a condutibilidade
térmica, a densidade, a viscosidade e o calor específico. Elas influem, juntamente com
algumas variáveis geométricas e de operação, decisivamente no desempenho de um
trocador de calor. Vale lembrar que os valores dessas propriedades variam em função da
temperatura que, por sua vez, se altera ao longo de um trocador de calor. Na maioria das

21. 21
vezes, é aceitável como simplificação que se adotem os valores das propriedades à
temperatura média entre a entrada e a saída.
A vazão e, portanto, a velocidade de escoamento influi em quatro aspectos
fundamentais: a eficiência de troca térmica, a perda de carga, a erosão e o depósito de
sujeira.
Quanto maior a velocidade de escoamento num trocador de calor, maior a
intensidade de turbulência criada e melhor deve ser o coeficiente de transporte de energia.
Consequentemente, a área do trocador necessária para uma dada carga térmica será
menor. Nesse aspecto, é desejável que a velocidade de escoamento seja alta.
Mas essa turbulência intensa também implica num atrito maior e uma perda de
carga maior, podendo até ultrapassar valores máximos admissíveis. Nesse aspecto, não é
desejável uma velocidade de escoamento exagerada.
Então, há um compromisso entre melhorar a eficiência de troca térmica sem
acarretar uma perda de carga excessiva. A busca desse compromisso constitui um dos
principais objetivos no projeto de um trocador de calor.
Além desses dois pontos, a velocidade de escoamento está ligada à erosão e ao
depósito de sólidos. Uma velocidade muito pequena pode favorecer o depósito de sujeira
e a dificuldade da sua remoção. Por outro lado, uma velocidade exageradamente alta pode
acarretar uma erosão intensa; se o fluido é corrosivo ou contém sólidos em suspensão, o
efeito será mais danoso ainda. Então, de novo, a velocidade de escoamento não pode ser
nem muito alta nem muito baixa.
Há, na literatura, faixas de valores práticos, recomendados para velocidade de
escoamento num trocador de calor:

22. 22
6 CONCLUSÃO
O experimento empregado forneceu uma maneira de se calcular os fluxos de calor
em um trocador de calor de placas, entre outras variáveis. Contudo, por ser um
procedimento experimental, envolve incertezas que podem influenciar nos resultados das
grandezas estudadas. Entre as principais fontes de erros, estão aquelas relacionadas a
imprecisão durante a realização do procedimento experimental, tanto no que se refere aos
equipamentos utilizados ou leitura incorreta do observador.
Espera-se que os valores de calor cedido e calor recebido devem ser iguais. No
entanto, raramente se observa isso, o que pode ser explicado devido a erros experimentais
na medição das vazões ou devido à perda de calor para o ambiente. Considera-se a
quantidade de calor total transferida como sendo a média entre as quantidades de calor
cedida e recebida.
Com este experimento verificou-se a taxa de transferência de calor em cada uma
das seções. Teoricamente este valor deverá ser igual ou bem próximo para todas as etapas
– aquecimento ou/e resfriamento. Observou-se que a efetividade é influenciada
positivamente com o aumento da vazão mássica dos fluidos.

23. 23
REFERÊNCIAS
1. KREITH, F e BOHN, M. S. Princípios de transferência de calor. Thonsom
Pioneira.
2. BEJAN, A. Transferência de calor. Edgard Blucher.
3. GHIZZE, A. Manual de trocadores de calor, vasos e tanques. IBRASA.
4. FOUST, A.S. et al. - Princípios das Operações Unitárias.
5. REINOLD, M. R. Manual Prático de Cervejaria. São Paulo: Aden Editora, 1997.
6. GUT, J.A.W., PINTO P.M., “Conhecendo os Trocadores de Calor a Placas”, Dep. de
Eng. Química - Universidade de São Paulo. Disponível em:
http://http://www.hottopos.com/regeq11/gut.htm . Acesso em 18 de jan de 2016.
7. GANHIS, D. Apostila do CEFET/BA sobre trocadores de calor, do Professor Diógenes
Ganhis.
8. INCROPERA; DEWITT; BERGMAN; LAVIN. Fundamentos da transferência de calor,
Notre Dame, 2008.
9. R. BYRON BIRD; WARREN E. STEWART; EDWIN N. LIGHTFOOT. Fenômenos de
Transporte. LTC, 2004.