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TRANSFERÊNCIA DE CALOR E TROCADORES DE CALOR THIAGO DE SOUZA NUNES JOÃO PAULO P. NASCIMENTO RIO DE JANEIRO NOVEMBRO - 2010 P á g i n a | 1 THIAGO DE SOUZA NUNES JOÃO PAULO P. NASCIMENTO TRANSFERÊNCIA DE CALOR E TROCADORES DE CALOR 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 P á g i n a | 2 SUMÁRIO 1- INTRODUÇÃO 04 2- TRANSFERÊNCIA DE CALOR 05 2.1– CONCEITO 05 2.1.i- CONVECÇÃO 05 2.1.ii - CONDUÇÃO 11 2.1.iii - RADIAÇÃO 15 3- TROCADOR DE CALOR 19 3.1- CONCEITO 19 3.1.i- TROCADOR DUPLO TUBO 19 3.1.ii - TROCADOR DE CALOR CASCO E TUBO 20 3.1.iii - TROCADOR DE CALOR DE PLACAS 21 3.1.iv - TROCADOR DE CALOR COMPACTO 22 3.2- APLICAÇÕES DE TROCADORES DE CALOR 22 3.3- EXEMPLOS DE TROCADORES DE CALOR 23 3.3.1- TROCADORES COMPACTOS 24 4- CONCLUSÃO 25 5- BIBLIOGRAFIA 26 P á g i n a | 3 LISTA DE FIGURAS Figura 1- Tubos de vidro encurvados e ligados por tubos de borracha 6 Figura 2 – Planadores rebocados pelo avião 7 Figura 3 - Dois tubos de cartolina nas aberturas de uma caixa de papelão 8 Figura 4 - Forno de ar quente 9 Figura 5 - Sistema de ar quente 10 Figura 6- Transferência de calor por condução 11 Figura 7- Barra de ferro numa chama 12 Figura 8- Extremidades de um fio de cobre e outro de ferro 12 Figura 9 - material macio feito de fibras 13 Figura 10- Agasalho de lã 13 Figura 11 - Um termômetro com uma camada de fuligem e outro termômetro não- revestido, próximo à parte inferior de uma lâmpada elétrica acesa 14 Figura 12- Superfície metálica 15 Figura 13- Canos de cobre postos no concreto. 16 Figura 14- Trocador de calor duplo tubo 19 Figura 15- Trocador de calor casco e tubo 20 Figura 16 - Trocador de calor de placas 21 Figura 17- Trocador Duplo tubo 23 Figura 18- Trocador de calor casco e tubo 23 Figura 19- Trocador de calor de placas 24 Figura 20- Radiador 24 Figura 21- Ar - condicionado. 24 P á g i n a | 4 1- INTRODUÇÃO 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. P á g i n a | 5 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; ii. Condução; iii. 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, mover- se-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. P á g i n a | 6 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 matéria. Figura 1 P á g i n a | 7 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 P á g i n a | 8 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 P á g i n a | 9 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. P á g i n a | 1 0 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 P á g i n a | 1 1 2.1.ii - 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. P á g i n a | 1 2 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. P á g i n a | 1 3 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. P á g i n a | 1 4 A seguinte tabela dá as condutividades térmicas de alguns materiais, são eles: CONDUTIVIDADES TÉRMICAS* Metais Sólidos não- metálicos Fluidos (a 20ºC) Prata 0,97 Vidro 0,002 Água 0,0013 Cobre 0,92 Concreto 0,002 Glicerina 0,0006 Alumínio 0,49 Cortiça 0,0001 Hidrogênio 0,00033 Ferro 0,12 Fêltro 0,0001 Ar 0,000057 Chumbo 0,083 Tijolo de barro 0,0015 ------------------- A tabela dá a quantidade de calor, em calorias, conduzida por minuto através de uma camada de 1cm 2 de área e 1 cm de espessura, quando a diferença de temperatura entre as duas superfícies é de 10. P á g i n a | 1 5 2.1.iii - 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. 11). 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. Figura 11. P á g i n a | 1 6 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 P á g i n a | 1 7 com cercade 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 P á g i n a | 1 8 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. P á g i n a | 1 9 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; ii. Casco e tubo; iii. Placas; iv. Outros: Trocadores compactos, resfriadores de ar, variações do casco e tubo... 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. P á g i n a | 2 0 3.1.ii - 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. P á g i n a | 2 1 3.1.iii - 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; P á g i n a | 2 2 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. 3.1.iv - TROCADOR DE CALOR COMPACTO São equipamentos que apresentam alta razão entre área de transferência de calor e volume do trocador. São exemplos deste tipo de trocador os trocadores de placa e espiral, trocadores com tubos aletados, resfriadores a ar e variações do trocador casco e tubo. 3.2- APLICAÇÕES DE TROCADORES DE CALOR Os trocadores de calor desempenham papel importante nas diversas áreas do conhecimento e pesquisa científica e aplicações tecnológicas. Na indústria são usados para aquecer ou resfriar fluidos para usos diversos. São encontrados sob a forma de torres de refrigeração, caldeiras, condensadores, evaporadores, leito fluidizado, recuperadores... Dispositivos de conforto ambiental e conservação de alimentos, como condicionadores de ar, aquecedores de água domésticos e frigoríficos se baseiam fundamentalmente em trocadores de calor. A produção de bebidas destiladas utiliza esta tecnologia; alambiques, por exemplo. A comercialização de outras, idem; chopeiras, por exemplo. P á g i n a | 2 3 A manutenção da temperatura adequada ao funcionamento dos motores de automóveis é conseguida através de radiadores. Podemos imaginar uma infinidade de aplicações para este dispositivo; a transferência otimizada e a conservação de energia sob a forma de calor é um desafio constante; trocadores de calor mais eficientes e baratos uma necessidade. Não poderíamos deixar de lembrar que a facilidade demanutenção é uma condicionante do projeto, já que deverá ser executada periodicamente para garantir a eficiência do trocador; incrustações aumentam a resistência térmica, diminuem a taxa de troca de calor, portanto devem ser retiradas. 3.3- EXEMPLOS DE TROCADORES DE CALOR Figura 17 - Duplo tubo Figura 18- Casco e tubo P á g i n a | 2 4 Figura 19 - Placas 3.3.1- TROCADORES COMPACTOS Figura 20 - Radiador Figura 21 – Ar - condicionado P á g i n a | 2 5 4- CONCLUSÃO A conclusão de transferência de calor é que a energia térmica está em trânsito, ou seja, está em constante movimentação e transferência entre os corpos do universo. No entanto, para que ocorra transferência de calor entre dois corpos é necessário que ambos possuam diferentes temperaturas, pois dessa forma, o calor irá fluir sempre do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura. A conclusão de trocadores de calor e que devido às muitas variáveis envolvidas, a seleção ótima de um trocador de calor é desafiante. Cálculos manuais são possíveis, mas muitas interações são tipicamente necessárias. Assim, trocadores de calor são mais freqüentemente selecionados através de programas de computador, que por projetistas de sistemas, que são tipicamente engenheiros, ou pelos fornecedores de equipamentos. De maneira a selecionar um trocador de calor apropriado, os projetistas de sistemas (ou fornecedores dos equipamentos) em primeiro lugar consideram as limitações de projeto para cada tipo de trocador de calor. A escolha do trocador de calor correto requer algum conhecimento de diferentes tipos de trocadores de calor, assim como o ambiente no qual a unidade irá operar. Tipicamente na indústria de manufatura, diversos tipos diferentes de trocadores de calor são usados para apenas um processo ou sistema para obter-se o produto final. P á g i n a | 2 6 6- BIBLIOGRAFIA Cabano Engenharia - Consultoria, Projeto, assessoria, consultoria, e estudo em sistemas de ar condicionado, ventilação, salas limpas e refrigeração. Belém – PA, Dez.2003. Disponível em http://www.cabano.com.br/trocadores_de_calor.htm Acesso em: 31 nov.2010. Carlos Bertulani. Ensino de Física à distância. UFRJ, Rio de Janeiro, 2006. Disponível em http://www.if.ufrj.br/teaching/fis2/calor/conducao.html Acesso em: 31 nov.2010. Costa Araújo, E. C. Trocadores de Calor. EdUFSCar, Rio de Janeiro, 2002. Disponível em http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_a/Trocadores_de_calor_2.pdf Acesso em: 31 nov.2010. Gílian Cristina Barros. Transmissão de calor. CURITIBA–PR, Fev.2009. Disponível em http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=1671 Acesso em: 31 nov.2010. Lisete C. Scienza. Trocadores de Calor. Rio de janeiro, Abril de 2008. Disponível em http://www.scribd.com/doc/9725323/Trocadores-de-Calor1 Acesso em: 31 nov.2010. Portal São Francisco. Transferência de calor. São Paulo, 2005. Disponível em http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/dilatacao/transferencia-de-calor.php Acesso em: 31 nov.2010. Universidade Federal de Minas Gerais. Trocadores de Calor. Minas Gerais, Maio 2004. Disponível em http://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema003/trocador/aplica.htm Acesso em: 31 nov.2010.
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