Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira Trocadores de Calor Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira

Trocadores de Calor Os trocadores de calor são equipamentos que facilitam a transferência de calor entre dois ou mais fluidos em temperaturas diferentes. Foram desenvolvidos muitos tipos de trocadores de calor para emprego em diversos níveis de complicação tecnológica e de porte como: usinas elétricas a vapor; usinas de processamento químico; aquecimento e condicionamento de ar em edifícios; refrigeradores domésticos; radiadores de automóveis,etc.

Trocadores de Calor – Classificação CLASSIFICAÇÃO DOS TROCADORES DE CALOR: Os trocadores de calor são feitos em tantos tamanhos, tipos, configurações e disposições de escoamento que uma classificação, mesmo arbitrária, é necessária para o seu estudo. Na discussão seguinte serão consideradas as classificações de acordo com: o processo de transferência; a compacticidade; o tipo de construção; a disposição das correntes; o mecanismo da transferência de calor.

Trocadores de Calor – Classificação pelo Processo de Transferência Os trocadores de calor podem ser classificados como de contato direto e de contato indireto. No tipo de contato direto, a transferência de calor ocorre entre dois fluidos imiscíveis, como um gás e um líquido, que entram em contato direto. As torres de resfriamento (figura), condensadores com nebulização para vapor de água e outros vapores, utilizando pulverizadores de água, são exemplos típicos de trocadores por contato direto. Nos trocadores de calor de contato indireto, como nos trocadores de calor casco e tubos (figura), os fluidos quente e frio estão separados por uma superfície impermeável, e recebem o nome de trocadores de calor de superfície. Não há mistura dos dois fluidos. Contato direto Contato indireto

Trocadores de Calor – Classificação de acordo com a compacticidade A razão entre a área da superfície de transferência de calor, num dos lados do trocador de calor, e o volume pode ser empregada como medida da compacticidade do trocador de calor: Um trocador de calor com densidade de área superficial, em um dos lados, maior do que cerca de 700 m2/m3 é classificado, arbitrariamente, como trocador calor compacto, independentemente de seu projeto estrutural. Por exemplo, os radiadores de automóvel, com uma densidade de área superficial da ordem de 1.100 m2/m3, e os trocadores de calor de cerâmica vítrea, de certos motores a turbina de gás, que têm uma densidade de área superficial da ordem de 6.600 m2/m3, são trocadores de calor compactos. Os pulmões humanos, com uma densidade de área da ordem de 20.000 m2/m3, são os trocadores de calor e de massa mais compactos. O miolo do regenerador do motor Stirling, de finíssima estrutura, tem uma densidade de área que se aproxima da densidade de área do pulmão humano.

Trocadores de Calor – Classificação pelo tipo de construção Os trocadores de calor também podem ser classificados de acordo com as características construtivas. Por exemplo, existem trocadores tubulares, de placa, de placa aletada, de tubo aletado e regenerativos..

Trocadores de Calor – Classificação pelo tipo de construção Trocadores de calor tubulares. Os trocadores de calor tubulares são amplamente usados e fabricados em muitos tamanhos, com muitos arranjos de escoamento e em diversos tipos. Podem operar em um extenso domínio de pressões e de temperaturas. A facilidade de fabricação e o custo relativamente baixo constituem a principal razão para seu emprego disseminado nas aplicações de engenharia.

Trocadores de Calor – Classificação pelo tipo de construção Trocadores de calor de placa. Como o nome indica, os trocadores de calor são geralmente construídos de placas delgadas. As placas podem ser lisas ou onduladas. Já que a geometria da placa não pode suportar pressões ou diferenças de temperaturas tão altas quanto um tubo cilíndrico, são ordinariamente projetados para temperaturas ou pressões moderadas. A compacticidade nos trocadores de placa se situa entre 120 e 230 m2/m3. http://www.wermac.org/video/plate_heat_exchanger1.html

Trocadores de Calor – Classificação pelo tipo de construção Trocadores de calor de placa aletada. O fator de compacticidade pode ser aumentado significativamente(até cerca de 6.000 m2/m3) com os trocadores de calor de placa aletada.

Trocadores de Calor – Classificação pelo tipo de construção Trocadores de calor de tubo aletado. Quando se precisa de um trocador que opere em alta pressão, ou de uma superfície extensa de um lado, utilizam-se os trocadores de tubo aletado. A Fig. 8.6 ilustra duas configurações típicas, uma com tubos cilíndricos e outra com tubos chatos. Os trocadores de tubo aletado podem ser utilizados em um largo domínio de pressão do fluido nos tubos, não ultrapassando cerca de 30 atm, e operam em temperaturas que vão desde as baixas, nas aplicações criogênicas, até cerca de 870°C. A densidade máxima de compacticidade é cerca de 330 m2/m3, menor que a dos trocadores de placa aletada. Os trocadores de calor de tubo aletado são empregados em turbinas de gás, em reatores nucleares, em automóveis e aeroplanos, em bombas de calor, em refrigeração, eletrônica, criogenia, em condicionadores de ar e muitas outras aplicações. https://www.youtube.com/watch?v=CRqmn-5E_yA

Trocadores de Calor – Classificação pelo tipo de construção Trocadores de calor regenerativos. Os trocadores de calor regenerativos podem ser ou estáticos ou dinâmicos. O tipo estático não tem partes móveis e consiste em uma massa porosa (por exemplo, bolas, seixos, pós etc.) através da qual passam alternadamente fluidos quentes e frios. Uma válvula alternadora regula o escoamento periódico dos dois fluidos. Durante o escoamento do fluido quente, o calor é transferido do fluido quente para o miolo do trocador regenerativo. Depois, o escoamento do fluido quente é interrompido, e principia o escoamento do fluido frio. Durante a passagem do fluido frio, transfere-se calor do miolo para o fluido frio. Os regeneradores de tipo estático podem ser pouco compactos, para o uso em alta temperatura (900 a 1.500°C), como nos pré aquecedores de ar, na fabricação de coque e nos tanques de fusão de vidro. Podem, porém, ser regeneradores compactos para uso em refrigeração, no motor Stirling, por exemplo. https://www.youtube.com/watch?v=roImOiIxrjo https://www.youtube.com/watch?v=c_ZDZUVINQA

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.

Diferença de Temperatura Média Logarítmica -DTML MÉTODO DTML PARA ANÁLISE DOS TROCADORES DE CALOR Na análise térmica dos trocadores de calor, a taxa total de transferência de calor Q através do trocador é uma quantidade de interesse primordial. Concentraremos nossa atenção nos trocadores de calor de passe único, que têm configuração de escoamento do tipo ilustrado na Fig. 8.15. É evidente, segundo esta figura, que a diferença de temperatura D T, entre os fluidos quente e frio, não é em geral constante; varia com a distância ao longo do trocador de calor. Na análise da transferência de calor nos trocadores de calor, é conveniente estabelecer uma diferença ΔTm, entre o fluido quente e o frio, de modo que a taxa total de transferência de calor Q entre os fluidos possa ser determinada pela seguinte expressão simples: Q =AU Δ Tm

Diferença de Temperatura Média Logarítmica -DTML

Diferença de Temperatura Média Logarítmica -DTML

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

Trocadores de calor de placas

Trocadores de calor de placas Aplicações Operações rápidas; Operações com água do mar; Indústria de alimentos; Indústria de polímeros.

Trocadores de calor de placas Vantagens Fácil de montar e desmontar; Fácil limpeza química e mecânica; Ocupa menos da metade do espaço ocupado por um TC casco-tubos; Permite mudança de operação variando apenas o número de placas.

Trocadores de calor de placas Desvantagens Alta perda de carga; Pressão > 300 psi; Não opera com suspensões de partículas grandes; Má distribuição dos fluidos se operado com baixas vazões.

Operação de um trocador de calor de placas

Sistema de passes

Sistema de passes

Sistema de passes Fluido quente

Sistema de passes Fluido quente

Sistema de passes Fluido quente

Sistema de passes Fluido quente

Sistema de passes Fluido quente

Sistema de passes Fluido frio Fluido quente

Sistema de passes Fluido frio Fluido quente

Sistema de passes Fluido frio Fluido quente

Sistema de passes Fluido frio Fluido quente

1 / 1 Sistema de passes Número de passes quente / frio : Fluido frio Fluido quente Número de passes quente / frio : 1 / 1

Número de passes quente / frio : Sistema de passes Fluido frio Fluido quente Número de passes quente / frio : 2 / 2

Número de passes quente / frio : Sistema de passes Fluido frio Fluido quente Número de passes quente / frio : 2 / 2

Número de passes quente / frio : Sistema de passes t2 Fluido frio t1 Fluido quente T1 T2 Número de passes quente / frio : 2 / 2

Número de passes quente / frio : Sistema de passes t2 Fluido frio t1 Fluido quente T1 T2 Número de passes quente / frio : 2 / 2

Número de passes quente / frio : Sistema de passes t2 Fluido frio t1 Fluido quente T1 T2 Número de passes quente / frio : 2 / 2

Número de passes quente / frio : Sistema de passes t2 Fluido frio t1 Fluido quente T1 T2 Número de passes quente / frio : 2 / 2

Número de passes quente / frio : Sistema de passes t2 Fluido frio t1 Fluido quente T1 T2 Número de passes quente / frio : 2 / 2