Transferência de calor e trocadores de calor

Transferência de calor e trocadores de calor

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RIO DE JANEIRO NOVEMBRO - 2010

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Trabalho apresentado ao Professor Márcio Marques da disciplina Fenômenos de Transportes da turma PET 0601M, turno da Manhã do curso de Engenharia de Petróleo.

Centro Universitário Augusto Motta Rio de janeiro – Novembro / 2010

Página | 2 SUMÁRIO

1- INTRODUÇÃO04
2- TRANSFERÊNCIA DE CALOR05
2.1– CONCEITO05
2.1.i- CONVECÇÃO05
2.1.i - CONDUÇÃO1
2.1.i - RADIAÇÃO15
3- TROCADOR DE CALOR19
3.1- CONCEITO19
3.1.i- TROCADOR DUPLO TUBO19
3.1.i - TROCADOR DE CALOR CASCO E TUBO20
3.1.i - TROCADOR DE CALOR DE PLACAS21
3.1.iv - TROCADOR DE CALOR COMPACTO2
3.2- APLICAÇÕES DE TROCADORES DE CALOR2
3.3- EXEMPLOS DE TROCADORES DE CALOR23
3.3.1- TROCADORES COMPACTOS24
4- CONCLUSÃO25

5- BIBLIOGRAFIA 26

Página | 3 LISTA DE FIGURAS

Figura 1- Tubos de vidro encurvados e ligados por tubos de borracha6
Figura 2 – Planadores rebocados pelo avião7
Figura 3 - Dois tubos de cartolina nas aberturas de uma caixa de papelão8
Figura 4 - Forno de ar quente9
Figura 5 - Sistema de ar quente10
Figura 6- Transferência de calor por condução1
Figura 7- Barra de ferro numa chama12
Figura 8- Extremidades de um fio de cobre e outro de ferro12
Figura 9 - material macio feito de fibras13
Figura 10- Agasalho de lã13
revestido, próximo à parte inferior de uma lâmpada elétrica acesa14
Figura 12- Superfície metálica15
Figura 13- Canos de cobre postos no concreto16
Figura 14- Trocador de calor duplo tubo19
Figura 15- Trocador de calor casco e tubo20
Figura 16 - Trocador de calor de placas21
Figura 17- Trocador Duplo tubo23
Figura 18- Trocador de calor casco e tubo23
Figura 19- Trocador de calor de placas24
Figura 20- Radiador24

Figura 1 - Um termômetro com uma camada de fuligem e outro termômetro não- Figura 21- Ar - condicionado. 24

1- INTRODUÇÃO

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Esse trabalho tem como objetivo transmitir os conhecimentos teóricos fundamentados de transmissão de calor e trocadores de calor de forma simples, porém ajudando a compreensão dos mecanismos básicos de transmissão de calor e principais tipos de trocadores de calor, reconhecendo os mecanismos envolvidos e aplicando os conhecimentos teóricos referentes aos mesmos, resolver problemas de transmissão de calor, projetar e dimensionar sistemas de resfriamento (dissipadores de calor) e trocadores de calor.

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2-TRANSFERÊNCIA DE CALOR

2.1- CONCEITO

É o processo de propagação de calor no qual a energia térmica é transmitida de partícula para partícula do meio, sempre do ponto de maior temperatura para o ponto de menor temperatura.

O calor pode ser transmitido, transferido ou propagado por três tipos de processos:

i. Convecção; i. Condução; i. Irradiação.

2.1.i- CONVECÇÃO

Fenômeno que acontece apenas nos fluidos, gases e líquidos, e acontece em razão da diferença de densidade do fluido.

Tome tubos de vidro encurvados e ligue-os por tubos de borracha como indica a Fig. 1. Encha os tubos com água e deixe cair uma gota de tinta em A. Ponha um bico de Bunsen no ramo esquerdo. A água desse ramo recebe energia calorífica da chama, o que faz as moléculas se moverem mais ràpidamente; a água nele se dilatará e ficará mais leve, ou melhor, menos densa, do que no ramo direito. A água mais fria, sendo mais pesada, moverse-á para baixo no ramo direito, fazendo a água circular. À água em movimento leva energia calorífica do ramo esquerdo para o ramo direito. É a transferência de calor pela matéria em movimento.

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matéria

Aquecendo-se a água em AB ela se expande e fica menos densa. A água mais fria e mais densa, em CD, desce então. A água em circulação transfere o calor por convecção. Na convecção, o calor é transferido juntamente com a Figura 1

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Esses planadores são inicialmente rebocados pelo avião e depois soltos dos cabos para voarem sozinhos. Um piloto experimentado pode manobrar um desses aparelhos sem motor percorrendo grandes distâncias, aproveitando as correntes de ar. Como o ar quente sobe, o planador pode ganhar altura nas correntes ascensionais e então planar, perdendo altura, até encontrar outra corrente ascensional. Em sentido figurado: o "combustível" do planador são as correntes de convecção.

Figura 2

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O ar que sobe na chaminé de casa, ou de uma fábrica, leva calor para cima. Monte dois tubos de cartolina em aberturas de uma caixa de papelão e coloque uma vela acesa debaixo de uma delas, como na Fig. 3. O ar mais frio em B, sendo mais denso que o ar em A, descerá para a caixa e empurrará o ar quente para fora da chaminé, produzindo circulação do ar. Você pode provar a descida do ar em B, mantendo um pedaço de papel ou pano fumacento sobre essa chaminé. O ar mais frio, mais denso, em B, desce, aumenta a pressão na caixa e força o ar quente a subir em A.

Figura 3

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No forno de ar quente (Fig.4) o ar frio da sala desce pelo tubo de ar frio até o forno. Este ar frio, mais pesado, força o ar mais quente, menos denso, a subir pelos tubos de ar quente.

Figura 4.

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No sistema de ar quente (Fig.5), a água fria desce pelo tubo de retorno e força a água quente a subir da caldeira para os radiadores. Um sistema de aquecimento de água quente. A água fria, descendo para o aquecedor, força a água quente a subir para os radiadores.

Figura 5

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2.1.i - CONDUÇÃO

Ocorre principalmente em meios sólidos. Acontece em razão do contato das partículas (átomos, elétrons e moléculas) que formam os corpos.

Transferência de calor por condução

Figura 6

Ponha uma extremidade de uma barra de ferro numa chama; as moléculas do ferro nessa extremidade absorverão calor. Essa energia fará as moléculas vibrarem mais rigorosamente e se chocarem com as moléculas vizinhas, transferindo-lhes a energia. Essas moléculas vizinhas, por sua vez, passarão adiante a energia calorífica, de modo que ela será conduzida ao longo da barra para a extremidade fria. Observe na Fig. 7. que, na condução, o calor passa de molécula a molécula, mas as moléculas não são transportadas com o calor. Condução é a transferência de calor através de um corpo, de molécula a molécula.

Página | 12 Figura 7

Para comparar a condução do calor por diferentes metais, enrole uma na outra, as extremidades de um fio de cobre e outro de ferro, de mesmo comprimento (Fig. 8). Prenda algumas tachinhas com cera aos fios. Aqueça as extremidades enroladas dos fios numa chama. As tachas presas ao cobre começarão a cair antes das presas ao ferro. O cobre conduz calor melhor que o ferro.

Figura 8.

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Todos os metais são bons condutores de calor. Os gases e os líquidos são bons condutores. Substanciais tais como tecidos, papel e amianto, que pouco conduzem calor, são chamadas maus condutores ou isolantes térmicos. Agasalhos de pele ou de lã fofa são bons isolantes por causa do ar que está aprisionado nos mesmos (Fig. 10). A lã é mais quente que o algodão e linho, porque retém mais ar em seu interior.

Figura 9

Esse material macio, Fig.09, é feito de fibras que armazenam ar em poros finos. Ele conduz tão pouco o calor que a chama não queima a mão do outro lado. A lã é um bom isolante. A lã prende o ar, formando uma camada isolante que conserva a moça aquecida. O sobretudo seria mais quente, e menos bonito, se a lã estivesse na parte interna.

Figura 10.

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A seguinte tabela dá as condutividades térmicas de alguns materiais, são eles:

Metais Sólidos não- metálicos Fluidos (a 20ºC)

Cobre 0,92 Concreto 0,002 Glicerina 0,0006

Alumínio

Cortiça 0,0001 Hidrogênio

Chumbo 0,083

Tijolo de barro

A tabela dá a quantidade de calor, em calorias, conduzida por minuto através de uma camada de

1cm2 de área e 1 cm de espessura, quando a diferença de temperatura entre as duas superfícies é de

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2.1.i - RADIAÇÃO

Esta forma de transmissão de calor acontece sem contado físico entre os corpos. Ocorre por meio de ondas eletromagnéticas. É denominada energia radiante e não necessita de um meio material para se propagar.

O Sol emite energia radiante no espaço; através de milhões de quilômetros, essa energia chega a Terra. Tem a forma de ondas, de comprimento igual à cerca de 0,00005cm. Quando nós recebemos a luz do Sol diretamente, nós absorvemos essa energia que se transforma em energia calorífica. Todos os corpos irradiam energia para objetos a temperaturas mais baixas. Nós irradiamos energia para as paredes de uma sala fria. Um aquecedor elétrico, ligado, irradia energia para nós. Nós absorvemos essa energia e nos aquecemos. Assim, embora seja a absorção de energia radiante que produz calor, freqüentemente falamos de calor radiante, que é energia radiante absorvida como calor.

Passe um pouco de cola num bulbo de um termômetro e revista o bulbo com uma camada de fuligem ou outra substância preta. Mantenha-o junto com outro termômetro não-revestido, próximo à parte inferior de uma lâmpada elétrica acesa (Fig. 1). O termômetro enegrecido se aquecerá mais rapidamente do que o outro, porque as substâncias negras são bons absorventes de calor. Retire a lâmpada. O termômetro de bulbo enegrecido voltará à temperatura ambiente mais depressa que o outro. Os bons absorventes de energia radiante são bons radiadores.

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O termômetro do bulbo enegrecido absorve os raios de calor, mas o do bulbo prateado os reflete. Os corpos negros são bons absorventes. A maioria das substâncias não metálicas absorve melhor o calor radiante que os metais.

A fuligem (negro de fumo) absorve cerca de 97% da radiação que recebe. Tintas não metálicas absorvem 90%, o ferro galvanizado fosco 50%, tinta de alumínio 30% e alumínio ou prata polidos 6% (Fig. 12).

Figura 12.

A fuligem absorve 97% dos raios do sol. A prata polida absorve apenas 6%. As pessoas que vivem nas regiões tropicais preferem vestir-se de branco porque a roupa branca reflete mais a radiação do Sol do que as roupas escuras.

Benjamim Franklin, o primeiro grande cientista americano, fez uma experiência muito simples, colocando sobre a neve, ao sol, pedaços de fazendas de cores diversas. Após algumas horas o pedaço preto, que foi mais aquecido pelo sol tinha-se afundado mais na neve que os outros, enquanto o branco nada se afundara; as outras cores se afundaram tanto mais quanto mais escuras eram. Ficou assim provado que as cores mais claras absorvem menos calor do Sol e são, portanto, mais próprias para as regiões ensolaradas.

Nos países em que o inverno é muito frio, as casas, igrejas e edifícios públicos são, algumas vezes, aquecidos por calor radiante. Canos que transportam água são embutidos no chão ou nas paredes e no teto e fornecem o calor (Fig. 13). Canos de cobre são postos no chão e encobertos

Página | 17 com cerca de 5 cm de concreto. Água quente, a cerca de 500C, passa pelos canos. O chão é aquecido por condução e irradia energia, que é absorvida pelos móveis e pelas pessoas na sala. Este método de aquecimento é de fácil controle, limpo e pode dar conforto quando faz frio.

Fig. 13 - Calor radiante - Canos de cobre postos no concreto conduzem água quente que irradia energia que é absorvida no aposento e produz calor.

As superfícies que absorvem facilmente o calor também o perdem, ou emitem facilmente. Bons absorventes são bons emissores. As chaleiras devem ser bem polidas para irradiar pouco, o fundo não deve ser liso, mas, de preferência negro, para absorver facilmente.

Em agosto de 1932 um cientista suíço, Auguste Piccard, subiu a uma altura de 19 quilômetros sobre a Terra numa gôndola esférica presa a um enorme balão. Ele queria regular a temperatura na esfera; para isso ele pintou metade de sua superfície externa com tinta preta e a outra metade com tinta de alumínio. Se a gôndola ficasse muito fria, Piccard voltaria o lado enegrecido da esfera para o Sol, de modo que os raios de calor fossem facilmente absorvidos; se a gôndola ficasse muito quente ele voltaria para o Sol o lado

Página | 18 pintado com alumínio, de modo que este absorvesse pouca radiação, enquanto o lado enegrecido irradiasse facilmente o calor. Seu plano falhou porque o mecanismo destinado a girar a gôndola não funcionou durante a ascensão. A temperatura na gôndola subiu a 450 ºC. Piccard e seus companheiros tiveram um tempo quente na gôndola.

Página | 19 3- TROCADOR DE CALOR

3.1- CONCEITO

A operação de troca térmica é efetuada em equipamentos denominados genericamente de trocadores de calor. São dispositivos que efetuam a troca térmica entre dois fluidos, usualmente separada por uma parede sólida, através dos mecanismos de condução e convecção.

Dentre os principais tipos de trocadores de calor em termos de geometria destacam-se:

i. Duplo tubo; i. Casco e tubo; i. Placas;

tubo

iv. Outros: Trocadores compactos, resfriadores de ar, variações do casco e 3.1.i- TROCADOR DUPLO TUBO

O trocador duplo tubo (Fig. 14) é composto por dois tubos concêntricos, geralmente com trechos retos e com conexões apropriadas nas extremidades de cada tubo para dirigir os fluidos de uma seção reta para outra. Este conjunto em forma de U é denominado grampo, o que permite conectar vários tubos em série. Neste tipo de trocador, um fluido escoa pelo tubo interno e outro, pelo espaço anular, a troca de calor ocorre através da parede do tubo interno.

Figura 14 – Trocador duplo tubo.

As principais vantagens são: facilidade de construção e de montagem, ampliação de área, facilidade de manutenção e de acesso para limpeza.

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3.1.i - TROCADOR DE CALOR CASCO E TUBO

O trocador de calor casco e tubo (Fig. 14) é composto por um casco cilíndrico, contendo um conjunto de tubos, colocados paralelamente ao eixo longitudinal do casco. Os tubos são presos, em suas extremidades a placas perfuradas denominadas espelhos e a cada furo corresponde a um tubo do feixe. Os espelhos são presos de alguma forma ao casco. Os tubos que Compõe o feixe atravessam varias placas perfuradas, as chicanas, que Servem para direcionar o fluido que escoa por fora dos tubos e também para suportar os tubos. No trocador um dos fluidos escoará pelo interior dos tubos e outro por fora dos tubos.

A área de troca pode ser disposta de várias maneiras, por exemplo, pode-se ter um equipamento com tubos longos e com determinado diâmetro de casco ou com a mesma área construir outro trocador com tubos curtos. Relações de custo que é mais conveniente e mais econômico construir trocadores longos com diâmetros de casco e de tubos menores.

Figura 15 – Trocador de calor casco e tubo.

A distribuição dos tubos é padronizada e o número de tubos que é possível alocar em um determinado diâmetro, depende do diâmetro externo do tubo, da distância e arranjo dos tubos que compõe o feixe e do numero de passagens no lado do tubo.

O espaçamento entre as chicanas é padronizado. A redução no seu espaçamento tende a elevar o coeficiente de troca de calor do lado do casco, entretanto, tende a aumentar também a perda de carga o que pode sobrecarregar o sistema de movimentação do fluido. Diferentes tipos de chicanas fazem com que o escoamento seja aproximadamente perpendicular aos tubos ou paralelo a eles.

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3.1.i - TROCADOR DE CALOR DE PLACAS

O trocador de placas (Fig.15) consiste de um suporte, onde placas independentes de metal, sustentadas por barras, são presas por compressão, entre uma extremidade móvel e outra fixa. Entre placas adjacentes formam-se canais por onde os fluidos escoam.

Figura 16 - Trocador de calor de placas

Os trocadores de placa foram introduzidos em 1930 na indústria de alimentos em razão da facilidade de limpeza. As placas são feitas por prensagem e apresentam na superfície corrugações, as quais fornecem mais resistência à placa e causam maior turbulência aos fluidos em escoamento. Sempre surgem comparações entre os trocadores casco e tubo.

O trocador de placas será viável somente se: - A pressão de operação for menor que 30 bar;

- As temperaturas forem inferiores a 180oC (juntas normais) ou 260oC (juntas de amianto); - Houver vácuo não muito elevado;

- Houver volumes moderados de gases e vapores;

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As vantagens destes equipamentos são: - Facilidade de acesso a superfície de troca, substituição de placas e facilidade de limpeza; - Flexibilidade de alteração da área de troca térmica;

- Fornece grandes áreas de troca ocupando pouco espaço;

- Pode operar com mais de dois fluidos;

- Apresenta elevados coeficientes de transferência de calor;

- Incrustação reduzida em função da turbulência, ocasionando menos paradas para limpeza; - Baixo custo inicial;

- Não é necessário isolamento;

- Mesmo que a vedação falhe não ocorre à mistura das correntes;

- Possibilidade de respostas rápidas em função do pequeno volume de fluido retido no trocador.

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