Trocadores de Calor Casco e Tubos – Correção da DTML Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira

Trocadores de Calor – Classificação Segundo a Disposição das Correntes Correntes paralelas. Os fluidos quente e frio entram na mesma extremidade do trocador de calor, fluem na mesma direção, e deixam juntos a outra extremidade.

Trocadores de Calor – Classificação Segundo a Disposição das Correntes Contracorrente. Os fluidos quente e frio entram em extremidades opostas do trocador de calor e fluem em direções opostas.

Trocadores de Calor – Classificação Segundo a Disposição das Correntes Correntes cruzadas. No trocador com correntes cruzadas, em geral os dois fluidos fluem perpendicularmente um ao outro, como está na figura. Na disposição com correntes cruzadas, o escoamento pode ser misturado ou não misturado, dependendo do projeto.

Trocadores de Calor – Classificação Segundo a Disposição das Correntes Escoamento multipasse. A configuração de escoamento com passes múltiplos é empregada frequentemente no projeto de trocadores de calor, pois a multipassagem intensifica a eficiência global, acima das eficiências individuais. É possível grande variedade de configurações das correntes com passes múltiplos. A Fig 8.10 ilustra disposições típicas. O trocador de calor da (a) tem "um passe no casco e dois passes nos tubos", e recebe o nome de trocador de calor "um-dois". A Fig. (b) mostra a configuração "dois passes no casco, quatro passes nos tubos", e a Fig. (c), a configuração "três passes no casco, seis passes no tubo".

Trocadores de Calor – Classificação pelo Mecanismo de Transferência de Calor As possibilidades para o mecanismo de transferência de calor incluem uma combinação de quaisquer dois entre os seguintes: Convecção forçada ou convecção livre monofásica; Mudança de fase (ebulição ou condensação); Radiação ou convecção e radiação combinadas Em todos os casos discutidos anteriormente, consideramos a convecção forçada monofásica em ambos os lados do trocador de calor. Condensadores, caldeiras e radiadores de usinas de força espaciais incluem mecanismos de condensação, de ebulição e de radiação, respectivamente, sobre uma das superfícies do trocador de calor.

Trocadores de Calor –Trocadores de Calor com Mudança de Fase Condensadores. Os condensadores são utilizados em várias aplicações, como usinas de força a vapor de água, plantas de processamento químico e usinas nucleares elétricas de veículos espaciais. Os principais tipos incluem os condensadores de superfície, os condensadores a jato e os condensadores evaporativos. O tipo mais comum é o condensador de superfície, que tem a vantagem de o condensado ser devolvido à caldeira através do sistema de alimentação de água.

Trocadores de Calor –Trocadores de Calor com Mudança de Fase Condensadores.

Trocadores de Calor –Trocadores de Calor com Mudança de Fase Condensadores: A Fig. 8.11 mostra um corte através de um condensador de superfície, de dois passes, de uma grande turbina a vapor em uma usina de força. Uma vez que a pressão do vapor, na saída da turbina, é de somente 1,0 a 2,0 polegadas de mercúrio absolutas, a densidade do vapor é muito baixa e a vazão do fluido é extremamente grande. Para minimizar a perda de carga, na transferência do vapor da turbina para o condensador, o condensador é montado ordinariamente abaixo da turbina e ligado a ela. A água de resfriamento flui horizontalmente no interior dos tubos, enquanto o vapor flui verticalmente para baixo, entrando por uma grande abertura na parte superior, e passa transversalmente sobre os tubos. Observe que há dispositivo de aspiração do ar frio das regiões que ficam exatamente acima do centro do poço quente. Este dispositivo é importante, pois a presença de gás não condensável no vapor reduz o coeficiente de transferência de calor na condensação.

Trocadores de Calor –Trocadores de Calor com Mudança de Fase Caldeiras. As caldeiras a vapor de água constituem uma das primitivas aplicações dos trocadores de calor. O termo gerador de vapor é muitas vezes aplicado às caldeiras nas quais a fonte de calor é uma corrente de fluido quente em vez de produtos da combustão. Uma enorme variedade de caldeiras já foi construída. Existem caldeiras em pequenas unidades, para aquecimento doméstico, até unidades gigantescas, complexas e caras, para as modernas usinas de força.

Trocadores de Calor –Trocadores de Calor com Mudança de Fase Caldeiras. As caldeiras a vapor de água constituem uma das primitivas aplicações dos trocadores de calor. O termo gerador de vapor é muitas vezes aplicado às caldeiras nas quais a fonte de calor é uma corrente de fluido quente em vez de produtos da combustão. Uma enorme variedade de caldeiras já foi construída. Existem caldeiras em pequenas unidades, para aquecimento doméstico, até unidades gigantescas, complexas e caras, para as modernas usinas de força.

Trocadores de Calor – Distribuição de Temperaturas: Exemplos para Passe Único Trocador de calor em contracorrente no qual a elevação da temperatura do fluido frio é igual à queda da temperatura do fluido quente. A diferença de temperatura ΔT, entre o fluido quente e o fluido frio, é constante, em todos os pontos.

Trocadores de Calor – Distribuição de Temperaturas: Exemplos para Passe Único Fluido quente se condensa e transfere calor para o fluido frio, fazendo com que sua temperatura se eleve ao longo do percurso.

Trocadores de Calor – Distribuição de Temperaturas: Exemplos para Passe Único Líquido frio evapora e resfria o fluido quente ao longo do seu percurso.

Trocadores de Calor – Distribuição de Temperaturas: Exemplos para Passe Único Configuração de escoamento paralelo, na qual ambos os fluidos se deslocam na mesma direção, com o fluido frio experimentando uma elevação de temperatura e o fluido quente, uma queda de temperatura.

Trocadores de Calor – Distribuição de Temperaturas: Exemplos para Passe Único Configuração em contracorrente na qual os fluidos se deslocam em sentidos opostos.

Trocadores de Calor – Distribuição de Temperaturas: Exemplo para 1 Passe no Casco e 2 Passes no Tubo

Trocadores de Calor – Distribuição de Temperaturas: Exemplo para Correntes Cruzadas Correntes cruzadas com fluidos não misturados.

Correção da Diferença de Temperatura Média Logarítmica - Correntes Cruzadas e Multipasse A diferença de temperatura média logarítmica (DTML ou LMTD), não se aplica à análise da transferência de calor em trocadores de correntes cruzadas e multipasse. As diferenças efetivas de temperatura foram determinadas nos escoamentos de correntes cruzadas e também multipasse, mas as expressões resultantes são muito complicadas. Por isso, nessas situações, é costume introduzir um fator de correção F de modo que a DTML simples possa ser ajustada para representar a diferença efetiva de temperatura ΔTcorr para a disposição de correntes cruzada e multipasse na forma:

Correção da Diferença de Temperatura Média Logarítmica - Correntes Cruzadas e Multipasse Fator de correção (um passe no casco e dois nos tubos):

Correção da Diferença de Temperatura Média Logarítmica - Correntes Cruzadas e Multipasse Fator de correção (dois passes no casco e quatro passes nos tubos, ou múltiplos de 4 passes nos tubos):

Correção da Diferença de Temperatura Média Logarítmica - Correntes Cruzadas e Multipasse Fator de correção (correntes cruzadas, um só passe e fluidos não misturados):

Método ε-NUT para a Análise dos Trocadores de Calor Se as temperaturas de entrada e de saída do fluido quente e do fluido frio, assim como o coeficiente da transferência de calor global, forem especificadas, o método da DTML, com ou sem a correção, pode ser empregado para resolver o problema do cálculo térmico ou do dimensionamento. Em algumas situações são dadas apenas as temperaturas de entrada e as vazões dos fluidos quente e frio, e o coeficiente de transferência de calor global pode ser estimado. Em tais casos, a temperatura média logarítmica não pode ser determinada, pois as temperaturas de saída não são conhecidas. Por isso, o método da DTML na análise térmica dos trocadores de calor envolverá iterações tediosas para se determinar o valor próprio da DTML que satisfaça a exigência de o calor transferido no trocador de calor ser igual ao calor arrastado pelo fluido.

Método ε-NUT para a Análise dos Trocadores de Calor A análise pode ser significativamente simplificada se usarmos o método ε−NUT ou o método da efetividade, desenvolvido originalmente por Kays e Londor. Neste método, a efetividade e é definida como: A taxa máxima possível de transferência de calor Qmax é obtida num trocador em contracorrente se a variação de temperatura do fluido que tiver o valor mínimo de mcp for igual à diferença entre as temperaturas de entrada dos fluidos quente e frio.

Método ε-NUT para a Análise dos Trocadores de Calor Relação ε-NUT. Neste método, a efetividade e é definida como: Por conveniência, nas aplicações práticas, define-se um parâmetro adimensional, o númerode unidades de transferência (de calor) (NUT ou N) como sendo a relação entre a capacidade calorífica do trocador e a capacidade calorifica das correntes: Onde A é a área de transferência de calor, Um é o coeficiente médio de transferência de calor e Cmin é o valor mínimo de mcp, sendo C=mcp.

Método ε-NUT para a Análise dos Trocadores de Calor Gráficos ε-NUT

Método ε-NUT para a Análise dos Trocadores de Calor Gráficos ε-NUT

Método ε-NUT para a Análise dos Trocadores de Calor Gráficos ε-NUT

Método ε-NUT para a Análise dos Trocadores de Calor Gráficos ε-NUT

Método ε-NUT para a Análise dos Trocadores de Calor Relações ε-NUT