Engenharia Industrial Mecnica

Trocadores de Calor

1. Introduo Trocadores de calor so equipamentos trmicos destinados a trocar calor entre dois fludos que podem ou no estar em contato direto. Existem vrios tipos e configuraes de trocadores de calor com aplicao bastante difundida em vrios segmentos industriais, tais como industria siderrgica, industria de alimentos, dentre outros. Segue alguns exemplos de trocadores de calor:

2. Classificao dos trocadores de calor com respeito ao sentido de escoamento dos fluidos

2.1. Trocadores de calor contra corrente

Nos trocadores de calor contra corrente os fluidos percorrem o trocador no mesmo sentido e na mesma direo.

2.2. Trocadores de calor correntes opostas

Nos trocadores de calor correntes opostas os fluidos percorrem o trocador no sentido oposto e na mesma direo.

2.3. Trocadores de calor correntes cruzadas

Nos trocadores de calor correntes cruzadas os fluidos percorrem o trocador ortogonalmente.

3. Dimensionamento trmico de um trocador de calor So amplamente difundidos na literatura dois modelos de dimensionamento trmico dos trocadores de calor:

Mtodo DTML Diferena de temperatura mdia logartmica

Mtodo da Efetividade

3.1. Mtodo DTML Diferena de temperatura mdia logartmica

So premissas para o dimensionamento trmico de um trocador de calor utilizando o mtodo DTML:

1. Os calores especficos dos fluidos no variam com a temperatura

2. Os coeficientes de conveco dos fluidos so constantes ao longo de todo trocador de calor

O mtodo DTML particularmente utilizado quando se conhece as temperaturas envolvidas dos fluidos na entrada e sada e/ou so facilmente determinveis.

Segue passo a passo o dimensionamento trmico de um trocador de calor utilizando o mtodo DTML:

Balano de calor

(w) Coeficiente global de troca de calor

Diferena de temperatura mdia logartmica DTML

((C)

rea de troca de calor

( (m2)3.2. Mtodo da Efetividade

O mtodo da efetividade utilizado quando as temperaturas de entrada e sada devem ser calculadas para um dado trocador de calor.

A efetividade de um trocador de calor definida como:

Troca de calor real / Mxima troca de calor possvelA troca de calor real pode ser obtida pelo clculo tanto da energia perdida pelo fluido quente quanto da energia ganha pelo fluido frio:

Troca de calor real =

A mxima troca de calor possvel seria alcanada se um dos fluidos sofresse uma variao de temperatura igual mxima diferena de temperatura presente no trocador de calor, que a diferena entre a temperatura de entrada dos fluidos quente e frio. Esta mxima diferena de temperatura ocorre no fluido que apresenta o mnimo valor de , pois pelo balano de calor a energia perdida por um fluido deve ser igual a energia absorvida pelo outro fluido.

Mxima troca de calor possvel =

Utilizando o agrupamento do termo de NTU (Nmero de unidades trmicas) pode determinar as dimenses do trocador de calor.

onde:

Kays e London, pesquisadores Ingleses apresentaram tabelas envolvendo a relao entre a efetividade e NTU para diversos arranjos de trocadores de calor.

Exerccios Propostos

1. Um trocador de calor de tubos concntricos com configurao contra corrente utilizado para resfriar leo de um sistema hidrulico. A vazo de gua de resfriamento que escoa atravs do tubo interno (d = 25 mm) de 0,2 kg/s. A vazo de leo que escoa atravs da seo anelar de 0,1 kg/s. O leo entra no trocador de calor a 100 c e a gua a 30 c respectivamente. Sabe-se que o leo deve ser resfriado at atingir a temperatura de 60 c. Determinar o comprimento do trocador de calor conhecendo-se:

h ( gua ) = 2250 w/m2 c;

h ( leo ) = 38 w/m2 c;

Cp ( leo ) = 2131 j/kg c;

Cp ( gua ) = 4178 j/kg c;

2. Uma vazo de 3,783 kg/s de gua aquecida de 37,78 a 54,44 c em um trocador de calor tubo e carcaa. No lado da carcaa utilizado um passe com uma vazo de 1,892 kg/ s de gua de aquecimento, entrando a 93,33 c. O coeficiente global de transferncia de calor 1419 w/m2c e a velocidade mdia da gua nos tubos de 1,905 mm de dimetro interno 0,366 m/s. Devido limitaes de espao, o comprimento do tubo no dever ser maior que 2,438 m. Calcule o nmero de passes nos tubos, o nmero de tubos por passe e o comprimento dos tubos, consistente com esta restrio.

3. Gases quentes de exausto so usados em um trocador de calor de tubo aletado em escoamento cruzado para aquecer 2,5 kg/s de gua de 35 a 85 c e calor especfico de 4.185 j/kg c . Os gases entram a 200 e saem a 93 c. Calcule a rea do trocador de calor, sabendo-se que o coeficiente global de troca de calor de 180 w/m2 c.

4. Um trocador de calor de tubo aletado de correntes cruzadas utiliza gua quente para aquecer uma certa quantidade apropriada de ar de 15 c a 25 c. A gua entra no trocador a 70 c e sai a 40 c, sendo de 29 Kw o calor transferido neste processo. O coeficiente global de transferncia de 45 w/m2 c. Calcule a rea de troca de calor.

5. Um trocador de calor tubo duplo de contra corrente usado para aquecer gua de 25 c a 50 c por meio de um resfriamento de um leo de 100 c a 65 c. O trocador de calor projetado com uma capacidade de 29 Kw e coeficiente global de troca de calor de 340 W/m2 c. Calcule a rea de troca de calor.6. Um trocador de calor de tubo duplo de contra corrente utilizado para aquecer 0,6 kg/s de gua de 35 a 90 c por meio de uma vazo de 0,9 kg/s de leo. O leo tem um calor especfico de 2100 J/kg c e entra no trocador de calor a 175 c. O coeficiente global de troca de calor de 426 w/m2 c. Determinar a rea de troca de calor.7. Em um trocador de calor de tubo e carcaa 2.4 (Dois passes na carcaa e quatro nos tubos ), o fluido da carcaa etileno glicol, que entra no trocador a 140 c e sai a 80 c, com uma vazo de 4500 k/h. A gua escoa no interior dos tubos entrando a 35 c e saindo a 85 c. Calcule a vazo de gua necessria e a rea de troca de calor, sabendo-se que o coeficiente global de troca de calor de 850 w/m2 c e o calor especfico da gua de 4180 j/kg c.

8. Um trocador de calor de tubo e carcaa com um passe na carcaa e dois passes nos tubos usado para resfriar gua quente de 80 c a 60 c, que circula pelos tubos. A gua de resfriamento circula pela carcaa entrando a 10 c e saindo a 65 c. Calcule a rea de troca de calor para 60 Kw se o coeficiente global vale 1100 w/m2 c.

9. Calcular a rea de troca de calor de um trocador tubo duplo contra corrente para aquecer 30 kg/s de gua de 20 c a 40 c, calor especfico 4180 J/kg c, com leo entrando a 200 e saindo a 85 c. Sabe-se que o coeficiente global de troca de calor de 380 w/m2 c.10. Um trocador de calor de tubo e carcaa com um passe na carcaa e quatro passes nos tubos usado para resfriar um fluido de 90 c a 40 c, que circula pelos tubos. O fluido de resfriamento circula pela carcaa entrando a 10 c e saindo a 70 c. Calcule a rea de troca de calor para 125 kw, conhecendo-se o coeficiente de conveco do fluido frio 220 w/m2 c e fluido quente 460 w/m2 c.Vmf

Vmq

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Tfe

Vmf

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Tfs

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Tfs

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Q

A

x

T

Figura 07 Torre de Refrigerao

Figura 06 Trocador de Calor Tubo Aletado

Figura 05 Trocador de Calor PlateCoil

Figura 04 Trocador de Calor de Placas

Figura 03 Trocador de Calor Tubo e Carcaa 1-2

Figura 02 Trocador de Calor Tubo e Carcaa 1-1

Figura 01 Trocador de Calor Tubo Duplo

Tfs

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Q

A

x

T

T

Q

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Q

A

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T

(T2

(T1

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

( = Efetividade

7

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