1. INTRODUÇÃO

Os trocadores de calor são amplamente empregados as indústrias. Para

que ocorra o processo de troca de calor entre dois fluidos é necessário que os

mesmos estejam em temperaturas diferentes (INCROPERA et al., 2008). Esse

processo de transferência de calor pode ser classificado de acordo com seu

processo: contato direto ou contato indireto. No contato indireto os fluidos não

estão em contato, assim não há uma mistura entre eles. O contato direto os

fluidos se misturam e as taxas de transferência de calor são superiores ao

contato indireto, mas sua aplicação é limitada em alguns casos (GEANKOPLIS,

1993).

Os trocadores de calor também podem ser classificados em função da

configuração do escoamento e do tipo de construção. Uma construção com

tubos concêntricos os fluidos quente e frio podem percorrer no mesmo sentido

(paralelo) ou em sentidos opostos (contracorrente) (Figura X). No escoamento

paralelo a temperatura de saída do fluido frio nunca pode ser superior a do

fluido quente. Ao contrário do fluido paralelo, no escoamento contracorrente a

temperatura de saída do fluido frio ser maior que a temperatura de saída do

fluido quente (INCROPERA et al., 2008).

Em outra configuração, os fluidos podem se mover em escoamento

cruzado, utilizando trocadores tubulares com ou sem aletas. Nos tubos com

aletas os fluidos não são se misturam, caso contrário ocorre quando utiliza-se

tubos sem aletas (INCROPERA et al., 2008).

Outra configuração muito utilizada é o trocador de calor casco e tubos.

Esse trocador pode variar de acordo com os números de passes no casco e

nos tubos. Nas formas mais simples onde envolve um único passe nos tubos e

no casco muitas vezes são instaladas chicanas com o intuito de aumentar o

coeficiente convectivo no fluido para induzir a turbulência e um componente de

velocidade na direção do escoamento (INCROPERA et al., 2008).

O desempenho de um trocador de calor está relacionado 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. Outro fator importante no cálculo para dimensionamento de

trocadores de calor é a diferença de temperatura entre os fluidos que pode ser

calculada através da temperatura média logarítmica (GEANKOPLIS, 1993).

Temperatura média logarítmica

A diferença de temperatura é a força motriz que determina a transmissão

de calor de uma fonte a um receptor. Os fluidos, de um modo geral, em um

trocador de calor sofrem variações de temperatura que não são lineares

quando as temperaturas são plotadas contra um comprimento, como pode ser

observado nas Figuras 1, 2, 3 e 4. Em cada ponto entre a entrada e a saída do

trocador as temperaturas assumem valores diferentes. Nota-se que não seria

prático calcular cada uma dessas temperaturas, deste modo faz-se uso da

temperatura média logarítmica - ∆T ml (Equação 1).

∆T ml=(∆T2−∆T 1)

ln(∆T 2∆T 1 )Equação 1

Onde ∆T 1 e ∆T 2 são as diferenças de temperatura nas extremidades do

trocador de calor.

A direção relativa dos fluidos influi decisivamente no valor da diferença

da temperatura.

No escoamento em paralelo, as temperaturas ∆T 1 e ∆T 2 podem ser

calculadas pelas Equações 2 e 3:

∆T 1=T qe−T fe Equação 2

∆T 2=T qs−T fs Equação 3

Onde:

T qe e T qs são respectivamente as temperaturas de entrada e saída do

fluido quente;

T fe e T fs são respectivamente as temperaturas de entrada e saída do

fluido frio.

Para o escoamento em contracorrente, têm-se as Equações 4 e 5:

∆T 1=T qe−T fs Equação 4

∆T 2=T qs−T fe Equação 5

Onde:

T qee T qssão respectivamente as temperaturas de entrada e saída do

fluido quente

T fee T fs são respectivamente as temperaturas de entrada e saída do

fluido frio.

Coeficiente Global de Transferência de calor

A determinação do coeficiente global é frequentemente a mais

imprecisa. Esse coeficiente é em função da resistência térmica total à

transferência de calor entre os fluidos (GEANKOPLIS, 1993).

Nos trocadores de calor convencionais, uma parede separa dois fluidos.

Em tais casos tem-se a transferência de calor por convecção nos dois lados da

parede e transferência de calor por condução pelo seu interior.

Quando mais de uma etapa de transferência de calor é envolvida,

emprega-se um coeficiente de transferência dito global (U), que pode ser

calculado por meio da Equação 6:

qTOTAL=AU ΔT

Onde:

qTOTAL = calor total transferido

U = coeficiente global de transferência de calor, tal como é definido

A = área de troca de referência, empregada na dedução de U

T = diferença de temperatura representativa entre o fluido quente e o

fluido frio

O coeficiente global de transferência de calor (U), pode ser calculado por

meio da Equação 6:

Questionário

1) A transferência de calor pode ocorrer pelo mecanismo da condução,

convecção e/ou radiação dependendo se ela se efetua através de sólidos ou de

fluidos, entre sólidos separados por fluidos, entre fluidos separados por uma

superfície sólida ou ainda entre superfícies sólidas entre as quais não existe

matéria.

O mecanismo da Condução de calor está associado à transferência de calor

efetuada ao nível molecular, por transferência de energia sensível. As

partículas mais energéticas (que se encontram em locais onde se regista uma

maior temperatura) transferem parte da sua energia vibracional, rotacional e

translacional por contato com outras partículas contíguas menos energéticas

(que se encontram a uma menor temperatura) as quais recebem essa energia.

Em geral, a convecção de calor é definida de uma forma mais abrangente,

associando-se o fenómeno da condução e o da transferência de calor em

presença de movimento macroscópico do fluido.

Designa-se por radiação térmica, toda a energia radiante emitida na gama de

comprimentos de onda 0,1 a 100 μm do espectro electromagnético . Resulta da

emissão e propagação de ondas electromagnéticas (ou fotões) por alteração

na configuração electrónica de átomos e moléculas. Qualquer corpo com uma

temperatura superior a 0K emite energia radiante.

2)

3) O coeficiente global é a soma dos vários coeficientes individuais de

transferência de calor e tanto o coeficiente global como os individuais são

inversos da resistência global e das resistências individuais, respectivamente.

No permutador de calor temos:

o coeficiente de filme do fluido exterior;

o coeficiente de filme do fluido interior;

o coeficiente de sujidade exterior;

o coeficiente de sujidade interior;

a condutividade térmica do material da parede do tubo;

a espessura da parede do tubo que é a diferença entre o diâmetro

externo e interno

.

http://www.proac.uff.br/petroleo/sites/default/files/

TROCADOR_DE_CALOR_BITUBULAR.pdf