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TROCADORES DE CALOR

1.1- INTRODUÇÃO:

O processo de troca de calor entre dois fluidos que estão em diferentes temperaturas e separados por uma parede sólida ocorre em muitas aplicações da engenharia. Os equipamentos usados para implementar esta troca são denominados trocadores de calor, e aplicações específicas podem ser encontradas em aquecimento e condicionamento de ambiente, recuperação de calor, processos químicos, etc. Como aplicações mais comuns deste tipo de equipamento temos : Aquecedores, resfriadores, condensadores, evaporadores, torres de refrigeração, caldeiras, etc.

O projeto completo de trocadores de calor pode ser subdividido em três fases principais :

  • a análise térmica;

  • o projeto mecânico preliminar;

  • o projeto de fabricação;

Neste curso será enfocada a análise térmica, que consiste na determinação da área de troca de calor requerida, dadas as condições de escoamento e temperaturas dos fluidos. O projeto mecânico envolve considerações sobre pressões e temperaturas de operação, características de corrosão, etc. Finalmente, o projeto de fabricação requer a tradução das características e dimensões físicas em uma unidade que possa ser construída a um baixo custo.

1.2 – CLASSIFICAÇÃO DE TROCADORES DE CALOR

1.2.1 – CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM PROCESSOS DE TRANSFERÊNCIA

Nesta categoria, os trocadores de calor são classificados em:

  • contato indireto

  • contato direto

I - TROCADORES DE CALOR DE CONTATO INDIRETO

Em um trocador de contato indireto, os fluidos permanecem separados e o calor é transferido continuamente através de uma parede, pela qual se realiza a transferência de calor. Os trocadores de contato indireto classificam-se em:

  • transferência direta

  • armazenamento

I.1- Tipo de Trocadores de Transferência Direta

Neste tipo, há um fluxo contínuo de calor do fluido quente ao frio através de uma parede que os separa. Não há mistura entre eles, pois cada corrente permanece em passagens separados. Este trocador é designado como um trocador de calor de recuperação, ou simplesmente como um recuperador. Alguns exemplos de trocadores de transferência direta são trocadores de:

  • placa

  • tubular

  • superfície estendida

Recuperadores constituem uma vasta maioria de todos os trocadores de calor.

[Figura -1.1]

I.2- Trocadores de armazenamento

Em um trocador de armazenamento, os ambos fluidos percorrem alternativamente as mesmas passagens de troca de calor. A superfície de transferência de calor geralmente é de uma estrutura chamada matriz. Em caso de aquecimento, o fluido quente atravessa a superfície de transferência de calor e a energia térmica é armazenada na matriz. Posteriormente, quando o fluido frio passa pelas mesmas passagens, a matriz “libera” a energia térmica (em refrigeração o caso é inverso). Este trocador também é chamado regenerador.

[Figura -1.2]

II – TROCADORES DE CALOR DE CONTATO DIRETO

trocador, os fluidos se misturam. Aplicações comuns de um trocador de contato direto envolvem transferência de massa além de transferência de calor, aplicações que envolvem só transferência de calor são raras. Comparado a recuperadores de contato indireto e regeneradores, são alcançadas taxas de transferência de calor muito altas. Sua construção é relativamente barata. As aplicações são limitadas aos casos onde um contato direto de dois fluxos é permissível.

[Figura -1.3]

1.2.2 – CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM O TIPO DE CONSTRUÇÃO

Temos trocadores tubular, de placas, de superfície estendida e regenerativos. Outros trocadores existem, mas os grupos principais são estes. Aqui serão estudados apenas os dois primeiros.

I - TROCADORES TUBULARES

São geralmente construídos com tubos circulares, existindo uma variação de acordo com o fabricante. São usados para aplicações de transferência de calor líquido/líquido (uma ou duas fases). Eles trabalham de maneira ótima em aplicações de transferência de calor gás/gás, principalmente quando pressões e/ou temperaturas operacionais são muito altas onde nenhum outro tipo de trocador pode operar. Este trocadores podem ser classificados como carcaça e tubo, tubo duplo e de espiral.

I.1- 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. Existe uma variedade de construções diferentes destes trocadores dependendo da transferência de calor desejada, do desempenho, da queda de pressão e dos métodos usados para reduzir tensões térmicas, prevenir vazamentos, facilidade de limpeza, para conter pressões operacionais e temperaturas altas, controlar corrosão, etc.

Trocadores de carcaça e tubo são os mais usados para quaisquer capacidade e condições operacionais, tais como pressões e temperaturas altas, atmosferas altamente corrosivas, fluidos muito viscosos, misturas de multicomponentes, etc. Estes são trocadores muito versáteis, feitos de uma variedade de materiais e tamanhos e são extensivamente usados em processos industriais.

[Figura -1.4]

I.2- Trocador tubo duplo

O trocador de tubo duplo consiste de dois tubos concêntricos. Um dos fluidos escoa pelo tubo interno e o outro pela parte anular entre tubos, em uma direção de contrafluxo. Este é talvez o mais simples de todos os tipos de trocador de calor pela fácil manutenção envolvida. É geralmente usado em aplicações de pequenas capacidades.

[Figura -1.5]

I.3- Trocador de calor em serpentina

tipo de trocador consiste em uma ou mais serpentina (de tubos circulares) ordenadas em uma carcaça. A transferência de calor associada a um tubo espiral é mais alta que para um tubo duplo. Além disso, uma grande superfície pode ser acomodada em um determinado espaço utilizando as serpentinas. As expansões térmicas não são nenhum problema, mas a limpeza é muito problemática.

[Figura -1.6]

II - TROCADORES DE CALOR TIPO PLACA

Este tipo de trocador normalmente é construído com placas lisas ou com alguma forma de ondulações. Geralmente, este trocador não pode suportar pressões muito altas, comparado ao trocador tubular equivalente.

[Figura -1.7]

1.3 – COEFICIENTE GLOBAL DE TROCA DE CALOR

Em transferência de calor o conceito de Coeficiente Global de Troca de Calor, U, é apresentado como uma maneira de sistematizar as diferentes resistências térmicas equivalentes existentes num processo de troca de calor entre duas correntes de fluido, por exemplo. A partir da lei do resfriamento de Newton:

(1.1)

que envolve a temperatura da superfície exposta a uma das correntes de fluido, estendemos o raciocínio para envolver outras partes do sistema.

Em diversos momentos ao longo do curso de transferência de calor, estudamos a troca de calor entre fluidos e superfícies divisoras do escoamento. Com as hipóteses de regime permanente, ausência de fontes, etc; utilizamos o conceito das resistências térmicas equivalentes e eventualmente apresentamos o Coeficiente Global de Troca de Calor, U. Vejamos dois exemplos:

  • parede plana

  • parede cilíndrica

[Figura -1.8]

Dando origem ao circuito térmico equivalente:

Ou seja, nestas condições, o calor trocado foi escrito como:

(1.2)

onde Tb indica a temperatura média de mistura de cada um dos fluidos.

Parede cilíndrica:

Consideremos a transferência de calor entre os fluidos do casco e dos tubos nos feixes de tubos de um trocador multitubular, como mostra a figura 1.9. O calor trocado entre os fluidos através das superfícies dos tubos pode ser obtido considerando as resistências térmicas :

[Figura 1.9]

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