Cap 4 Trocadores de Calor

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PROCESSOS INDUSTRIAIS TROCADORES DE CALOR 
 
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1. Transmissão de Calor 
 
Quando em duas regiões do universo existe uma 
diferença de temperatura, esta tende a desaparecer 
espontaneamente pelo aparecimento da forma de 
energia CALOR. 
O conjunto de fenômenos que caracterizam esta 
passagem da forma de energia calor é que 
denominamos Transmissão de Calor. 
Teoricamente a transmissão de calor pode ocorrer 
isoladamente por condução, convecção ou radiação, 
mas praticamente as três formas citadas acima 
ocorrem simultaneamente, ficando a critério do 
interessado o estudo da possibilidade de serem 
desprezadas uma ou duas das formas em presença 
das demais. 
 
1.1. Condução 
 
É a passagem da energia calor entre 
elementos de um sistema ou de sistemas em 
contacto, devido ao gradiente de temperatura, 
porém sem variação apreciável da posição 
relativa dos elementos do sistema ou dos 
sistemas. Resumidamente, a condução é a 
forma de transmissão de calor sem transporte 
de massa. 
 
1.2. Convecção 
 
É a passagem da energia calor com variação da posição relativa dos elementos do 
sistema ou de sistemas. Assim, a convecção é 
a forma de transmissão de calor pela mistura 
de elementos que possuem maior energia 
térmica com os de menor energia térmica. Esta 
mistura é a causadora das chamadas 
correntes de convecção que aparecem no 
interior do sistema ou sistemas. 
Resumidamente, a convecção é a forma de 
transmissão de calor com transporte de 
massa. Quando este trabalho é ocasionado 
unicamente por uma diferença de temperatura, 
temos a convecção natural. Quando ele ocorre 
com auxílio de meios externos, temos a 
convecção forçada. 
 
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1.3. Radiação 
 
É a passagem da energia calor através de 
ondas eletromagnéticas. Podemos também 
dizer que é a forma de transmissão de calor 
com transporte de energia. Convém alertar 
desde já que a radiação eletromagnética não é 
forma de energia calor em um sentido amplo, 
apesar de ser assim denominada em um 
intervalo conveniente de frequência. O efeito da 
radiação eletromagnética neste intervalo 
somente aparece quando é cruzada a fronteira 
de um sistema material absorvente. Quando 
isto ocorre há absorção de energia sendo esta 
energia a causa do aumento da energia interna 
do sistema. Por outro lado, convém lembrar que a forma de energia calor é uma forma 
de energia desordenada, contrário da radiação eletromagnética que é perfeitamente 
ordenada. 
 
2. Diferença de Temperatura 
 
A diferença de temperatura entre dois pontos cria a força motriz necessária para a 
transferência do calor. 
Os gráficos a seguir ilustram o comportamento da temperatura em função do 
comprimento do sistema de tubos concêntricos. Em ambos os sistemas o fluido que 
escoa no tubo externo é resfriado e o fluido que escoa no tubo interno é aquecido. 
 
Na ilustração à esquerda, temos nas extremidades os fluidos escoando na mesma 
direção, porém em sentidos opostos. Dizemos que esses fluidos estão escoando em 
“contracorrente” (counterflow). Este é o fluxo normalmente utilizado. 
Já na ilustração à direita, os fluidos também escoam na mesma direção, porém agora 
estão escoando no mesmo sentido de fluxo. Esse escoamento é chamado de 
“paralelo”. 
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Nos gráficos das ilustrações, está representada a variação da temperatura nos tubos. A 
temperatura de entrada e de saída do tubo interno é simbolizada por t1 e t2, 
respectivamente, e no tubo externo é simbolizada por T1 e T2, respectivamente. 
Podemos ver que ambos os fluidos de cada sistema de tubos sofrem variações de 
temperatura que não são lineares. O valor (T – t) em cada ponto assume valores 
diferentes. 
Observe a ilustração abaixo: 
 
 
 
No fluxo em contracorrente, a temperatura do fluido frio pode ultrapassar a menor 
temperatura do fluido quente, o que não pode ocorrer no fluxo em paralelo. 
 
3. Trocadores de Calor 
 
Nas diversas plantas de processo é necessário 
manejar os fluidos de diversas formas diferentes 
para garantir a qualidade do produto. Dentre 
essas diversas transformações, destaca-se a 
mudança de temperatura, na qual os trocadores 
de calor têm papel fundamental. 
Os trocadores de calor possuem aplicações 
específicas, tais como aquecimento e 
condicionamento de ambiente, recuperação de 
calor, processos químicos, etc. 
Como aplicações mais comuns destes 
equipamentos, temos: aquecedores, 
resfriadores, condensadores, evaporadores, 
torres de refrigeração, caldeiras, etc. O projeto 
completo de trocadores de calor pode ser 
subdividido em três fases principais: análise 
térmica, projeto mecânico preliminar e projeto de fabricação. 
 
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4. Tipos de Trocadores de Calor 
 
Podemos classificar os trocadores de diversas maneiras: quanto ao modo de troca de 
calor, quanto ao número de fluidos, tipo de construção, etc. De uma forma mais básica, 
duas classificações vão nos interessar: aquela que divide os trocadores entre aqueles 
que utilizam o contato direto e os de contato indireto e outra que os classifica em 
função das suas características de construção. 
 
4.1. Contato Direto 
 
Quando o trocador é de contato direto, os dois fluidos se misturam. Aplicações comuns 
de um trocador de contato direto envolvem transferência de massa além de 
transferência de calor; aplicações que envolvem somente transferência de calor são 
raras. 
Comparado aos trocadores de contato indireto, 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 fluidos é permissível. 
São exemplos de aplicação: torres de resfriamento e aquecedores de água de 
alimentação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.2. Contato Indireto por Armazenamento 
 
Em um trocador de armazenamento, os 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. Este tipo de troca é comum em fornos. 
 
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4.3. Contato Indireto por 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 
áreas distintas. 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 “duplo-tubo”, 
multitubulares, espirais e de placa. Estes recuperadores constituem a maioria dos 
trocadores de calor. 
 
4.3.1. Duplo Tubo 
 
São formados por dois tubos concêntricos. Pelo 
interior do tubo do primeiro (mais interno) passa um 
fluido e, no espaço entre as superfícies externa do 
primeiro e interna do segundo, passa o outro fluido. A 
área de troca de calor é a área do primeiro tubo. 
Tem as seguintes vantagens: 
 
 É um equipamento simples, 
 Custo reduzido 
 Facilidade de desmontagem para limpeza e 
manutenção. 
 
O grande inconveniente é a pequena área de troca 
de calor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.3.2. Multitubular ou Casco-Tubo 
 
São formados por um feixe de tubos paralelos contidos em um vaso cilíndrico 
denominado de casco. Um dos fluidos (fluido dos tubos) escoa pelo interior dos tubos, 
enquanto que o outro (fluido do casco) escoa por fora dos tubos e dentro do casco.PROCESSOS INDUSTRIAIS TROCADORES DE CALOR 
 
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Defletores (ou chicanas) são normalmente utilizados para aumentar o coeficiente de 
película do fluido do casco pelo aumento da turbulência e da velocidade de 
escoamento deste fluido. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
São os mais usados na indústria, porque oferecem uma grande área de troca de calor. 
A principal desvantagem destes trocadores é a área necessária para instalação, 
obrigando que o projetista faça vários passes internos dos fluidos, dificultando a sua 
fabricação e manutenção. 
Se um dos fluidos do trocador condensa ou evapora, o trocador é também denominado 
condensador ou evaporador, respectivamente. 
Para facilitar a limpeza do equipamento, é possível projetar o trocador com feixe 
removível. 
 
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4.3.3. Espirais 
 
Este tipo de trocador consiste em uma ou mais 
serpentinas (de tubos circulares) ordenadas em 
uma carcaça. Outro tipo de trocador em espiral 
é a serpentina inserida em vasos ou tanques, 
cuja função é de efetuar o aquecimento de um 
banho. 
Apresenta numerosas vantagens. 
 
 A transferência de calor associada a um 
tubo espiral é mais alta do que a de um 
tubo duplo. Além disto, uma grande 
superfície pode ser acomodada em um 
determinado espaço utilizando as 
serpentinas. 
 As expansões térmicas não são nenhum 
problema. 
 Possui maior área de troca de calor que 
o multitubular e tem grande flexibilidade 
de aplicação. 
 
Sua principal desvantagem é a limpeza e a manutenção, pelo acesso aos seus 
internos. 
 
4.3.4. De Placas 
 
Os trocadores de placas consistem em um conjunto de placas enrugadas, montadas 
em série com gaxetas. Os fluidos trocam calor, passando em contracorrente, 
alternadamente, pela sequencia de placas. Têm grande eficiência na troca térmica. 
São muito utilizados em plataformas marítimas para resfriamento da água do sistema 
de resfriamento, pela água do mar oriunda do sistema de captação. O seu uso também 
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É extensivo nas indústrias químicas, devido à grande superfície de troca térmica e ao 
pouco espaço ocupado na planta industrial, bem como a facilidade de ajuste tanto no 
que se refere à capacidade de troca de calor, 
como pela perda de pressão pelo aumento da 
quantidade de placas. 
Suas principais desvantagens são: 
 
 O sistema de vedação é feito através de 
juntas especiais que, normalmente, 
sofrem desgaste maior ou menor pelo 
tempo de contato com os produtos e, por 
isso, limita o seu uso para líquidos. 
 Em velocidades muito baixas, ocorre 
deposição de resíduos. Isto gera 
caminhos preferenciais, reduzindo a área 
de transferência. 
 A perda de carga em um trocador de 
calor de placas é alta, se comparado 
com os tipos anteriormente 
apresentados. 
 Geralmente, este trocador não pode 
suportar pressões muito altas, 
comparado aos trocadores tubulares.