Aula 23 – Trocadores de Calor

UFJF/Departamento de Engenharia de Produção e Mecânica

Prof. Dr. Washington Orlando Irrazabal Bohorquez

Trocadores de Calor

Definição:

Os equipamentos usados para implementar a troca de calor entre doisfluidos ou mais sujeitos a diferentes temperaturas são denominadosfluidos ou mais sujeitos a diferentes temperaturas são denominadosTrocadores de Calor.

Classificação de trocadoresde calor:

Podemos classificar os trocadores dePodemos classificar os trocadores dediversas maneiras:I. Quanto ao modo de troca de calor;II. Quanto ao número de fluidos;III. Tipo de construção, etc.

Trocadores de Calor

Classificação de trocadores de calor:

Trocadores de Calor

Classificação de trocadores de calor:

Trocadores de calor de contato direto

• Neste trocador, os dois fluidos se misturam.

• Aplicações comuns de um trocador de contatodireto envolvem transferência de massa alémde transferência de calor

• Comparado a recuperadores de contato indireto• Comparado a recuperadores de contato indiretoe regeneradores, são alcançadas taxas detransferência de calor muito altas

• Sua construção é relativamente barata.

Torres de resfriamento

Trocadores de Calor

Classificação de trocadores de calor:

Trocadores de calor de contato direto

Torres de resfriamento

Trocadores de Calor

Classificação de trocadores de calor:

Trocadores de calor de contato indireto

Tipo de trocadores de transferência direta

• Neste tipo, há um fluxo contínuo de calor dofluido quente ao frio através de umaparede que os separa.

• Não há mistura entre eles, pois cadacorrente permanece em passagenscorrente permanece em passagensseparados.

• Este trocador é designado como umtrocador de calor de recuperação, ousimplesmente como um Recuperador.

Tipo de trocadores de transferência direta

Trocadores de CalorClassificação de trocadores de calor:

Trocadores de calor de contato indireto

Trocadores de armazenamento

Trocadores de Calor

Classificação de trocadores de calor:

Trocadores de calor de contato indireto

Trocadores de armazenamento

• Em um trocador de armazenamento, os ambos fluidospercorrem alternativamente as mesmas passagens detroca de calor.

• A superfície de transferência de calor geralmente é de umaestrutura chamadamatriz.

• Para aquecimento, o fluido quente atravessa a superfíciede transferência de calor e a energia térmica éarmazenada na matriz. Posteriormente, quando o fluido frioarmazenada na matriz. Posteriormente, quando o fluido friopassa pelas mesmas passagens, a matriz “libera” aenergia térmica (em refrigeração o caso é inverso).

• Este trocador também é chamado regenerador.

• Podem ser dinâmicos ou estáticos.

• Os estáticos não possuem partes móveis e consistem emuma matriz através da qual passa alternadamente os fluidosquentes e frios.

Trocadores de armazenamento

Trocadores de Calor

Classificação de trocadores de calor:

Trocadores de calor de contato indireto

Trocador de calor regenerativo dinâmico

Trocador de calor regenerativo dinâmico

Trocadores de armazenamento

Trocadores de Calor

Classificação de trocadores de calor:

Trocadores de calor de contato indireto

Trocador de calor regenerativo dinâmico

Trocadores tubulares

Trocadores de carcaça e tubo

Trocadores de Calor

Classificação de trocadores de calor:

Trocadores de carcaça e tubo

• Este trocador é construído com tubos e uma carcaça.

• Um dos fluidos passa por dentro dos tubos, e o outro pelo espaço entre a carcaça e os tubos. carcaça e os tubos.

• São os mais usados para quaisquercapacidades e condições operacionais,tais como pressões e temperaturasaltas, atmosferas altamente corrosivas,fluidos muito viscosos, etc.

Trocador tubo duplo

Trocadores tubulares

Trocadores de Calor

Classificação de trocadores de calor:

Trocador tubo duplo

• O trocador de tubo duplo consiste dedois tubos concêntricos.

• Um dos fluidos escoa pelo tubointerno e o outro pela parte anularentre tubos, em uma direção decontra fluxo.contra fluxo.

• Este é talvez o mais simples de todosos tipos de trocador de calor pela fácilmanutenção envolvida. É geralmenteusado em aplicações de pequenascapacidades.

Trocadores tubulares

Trocadores de Calor

Classificação de trocadores de calor:

Trocador de calor em serpentina

• Este tipo de trocador consiste em uma oumais serpentinas (de tubos circulares)ordenadas em uma carcaça.

• Uma grande superfície pode seracomodada em um determinado espaçoacomodada em um determinado espaçoutilizando as serpentinas.

• As expansões térmicas não são nenhumproblema, mas a limpeza é muitoproblemática.

Trocadores de calor tipo placa

• Este tipo de trocador normalmente é

Trocadores de Calor

Classificação de trocadores de calor:

• Este tipo de trocador normalmente éconstruído com placas planas lisas ou comalguma forma de ondulações.

• Geralmente, este trocador não podesuportar pressões muito altas, comparadoao trocador tubular equivalente.

• São trocadores de calor tipo compactos.• São trocadores de calor tipo compactos.

A razão entre a área de superfície detransferência de calor e o volume dotrocador é maior que 700 m2/m3.

Exemplo: radiadores de automóveis(As/V=1100 m2/m3).

Trocadores de calor tipo compactoRadiador

Trocadores de Calor

Classificação de trocadores de calor:

Particularidades:Trocadores de calor de acordo com o tipo de construção

Trocadores de Calor

Classificação de trocadores de calor:

Trocadores de calor de placa aletada

• São construídos de forma que aletas

com o tipo de construção

• São construídos de forma que aletasplanas ou onduladas são separadaspor chapas planas.

• Correntes cruzadas, contracorrente oucorrentes paralelas são arranjosfacilmente obtidos.

Particularidades:Trocadores de calor de acordo com o tipo de construção

Trocadores de Calor

Classificação de trocadores de calor:

Trocadores de calor de tubo aletado

com o tipo de construção

Trocadores de calor de tubo aletado

• São geralmente construídos com tuboscilíndricos ou chatos onde sãoinstaladas aletas.

• Suportam altas pressões.

Particularidades:Trocadores de calor de acordo com a disposição do escoamento

Trocadores de calor de correntes paralelas

Trocadores de Calor

Classificação de trocadores de calor:

Trocadores de calor de correntes paralelas

• Os fluidos quente e frio entram na mesmaextremidade do trocador de calor, fluem namesma direção e deixam juntos a outraextremidade.

Trocadores de calor em contracorrente

• Os fluidos quente e frio entram emextremidades opostas do trocador de calore fluem em direções opostas

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e fluem em direções opostas

Trocadores de calor de correntes cruzadas

• Os fluidos, em geral, fluemperpendicularmente um ao outro.

• Na disposição em correntes cruzadas, oescoamento pode ser misturado ou nãomisturado.

Particularidades:Trocadores de calor de acordo com a disposição do escoamento

Trocadores de Calor

Classificação de trocadores de calor:

Trocadores de calor de correntescruzadas

• Os fluidos, em geral, fluemperpendicularmente um ao outro.

• Na disposição em correntes cruzadas, oescoamento pode ser misturado ou nãomisturado.

Trocadores de calor de escoamento em Trocadores de calor de escoamento em multipasse

• A configuração em passes múltiplos éfrequentemente empregada em trocadoresde calor por intensificar a troca térmica.

• É possível uma grande variedade deconfigurações.

Distribuição de temperatura nos trocadores de calor

Trocadores de Calor

Coeficiente global de troca de calor - U

Uma etapa essencial, porém a mais imprecisa de qualquer análise detrocadores de calor é a determinação do coeficiente global de troca decalor. Este coeficiente é definido em função da resistência térmica total à

Trocadores de Calor

calor. Este coeficiente é definido em função da resistência térmica total àtransferência de calor entre dois fluidos.

Analogia entre resistência térmica e resistência elétrica

Nestas condições, o calor trocado foi escrito como:

• Ao longo da operação normal de trocadores de calor, as superfícies estão sujeitasà deposição de impurezas dos fluidos, à formação de ferrugem ou a outrasreações entre o fluido e o material que compõe a parede.

• Isto, aumenta a resistência à transferência de calor entre os fluidos. Esse efeito

Coeficiente global de troca de calor - U

Trocadores de Calor

•pode ser levado em conta através da introdução de uma resistência térmicaadicional, conhecida por fator de deposição, Rf.

• Aletas são adicionadas às superfícies expostas a um ou ambos os fluidos paraaumentar a área superficial, reduzem a resistência térmica à transferência decalor por convecção.

• Com a inclusão da deposição e as aletas, o coeficiente global de transferênciade calor pode ser escrito:

Os subscritos, c, h representam fluido frio e quente.

Rf é a resistência térmica devida a deposição de partículas na parede ("fouling factor").

Rw (resistência térmica de condução) é desprezado. Paredes finas e materiais com altos k.

ηo - eficiência da superfície ou efetividade da temperatura de uma superfície aletada.

Ac e Ah são diferentes!!!

• A eficiência da superfície ou efetividade da temperatura de umasuperfície aletada, ηo, é definida pela expressão:

Coeficiente global de troca de calor - U

Trocadores de Calor

Sendo:

Eficiência da aleta (ηf )

Aletas planas:

• A resistência térmica adicional devida a deposição de partículas naparede ("fouling factor") é dada na tabela ao lado:

Coeficiente global de troca de calor - U

Trocadores de Calor

parede ("fouling factor") é dada na tabela ao lado:

• Valores representativos do Coeficiente global de transferência decalor encontram se resumidos na tabela abaixo:

Coeficiente global de troca de calor - U

Trocadores de Calor

calor encontram se resumidos na tabela abaixo:

• O coeficiente global de transferência de calor pode ser determinado apartir do conhecimento dos coeficientes de convecção nos fluidos quente

Coeficiente global de troca de calor - U

Trocadores de Calor

partir do conhecimento dos coeficientes de convecção nos fluidos quentee frio, dos fatores de deposição e superfícies aletadas.

• Para os trocadores de calor sem aletas, o coeficiente global de troca decalor é dado por:

• Lembre que a grande dificuldade está no calculo dos coeficientes deconvecção que depende de vários fatores.