Transferencia de calor em trocadores

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA E SOLOS 
CURSO DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS 
 
 
 
 
 
 
 
 TROCADORES DE CALOR NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MANAUS – AM 
2022 
 
 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA E SOLOS 
CURSO DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS 
 
 
 
BIANCA GABRIELLE OLIVEIRA PEROTE - 21954277 
GIOVANNA HOLANDA DE BRITO - 21951927 
JORDAN GOMES DOS SANTOS - 21950824 
 
 
 
 TROCADORES DE CALOR NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS 
 
 
Trabalho solicitado pelo 
professor Anderson, como 
requisito parcial da disciplina de 
Fenômenos de Transporte II –, do 
curso de Engenharia de 
Alimentos da Universidade 
Federal do Amazonas – UFAM. 
 
MANAUS – AM 
2022 
 
 
 
 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
Na indústria os trocadores de calor garantem a segurança 
microbiológica, estocagem adequada e armazenamento controlado, são 
utilizados para realizar trocas de calor entre fluidos ou outros componentes em 
distintas temperaturas. Possibilitam a resfriamento, aquecimento, condensação 
e evaporação de um fluido, entre os fluidos há uma parede que pode ser metálica 
ou não, que separa os componentes do processo. 
Existem diversos tipos de trocadores de calor com variações tecnologias 
e tamanhos, nos mais básicos as trocas de calor ocorrem por condução ou 
convecção. Já em caldeira ou condensadores a transferência de calor ocorre por 
ebulição ou condensação. Para uso adequado e conhecimento de como 
configurar e analisar o funcionamento do maquinário é necessário domínio das 
equações da Lei de Fourier da Condução e da Lei de Newton do Resfriamento. 
Além do conhecimento do maquinário, para um bom funcionamento dos 
trocadores faz-se necessário uma higiene dos tubos adequada, pois durante o 
uso partículas e/ou corrosões podem prejudicar a análise de troca de calor. 
A indústria, no geral, trabalha com diversos fluidos, cada um com suas 
propriedades (como viscosidade, densidade e calor específico). Ainda, cada 
processo apresenta uma finalidade (por exemplo, para produção alimentícia, 
química ou farmacêutica).O fenômeno de transferência de calor acontece a partir 
de um gradiente de temperatura. O calor é transferido de um ponto de maior 
temperatura para um de menor temperatura (GEANKOPLIS, 1993). O modelo 
mais simples de trocador de calor é o chamado trocador de tubo duplo, que 
consiste essencialmente em dois tubos concêntricos, em que um dos fluidos 
escoa pelo tubo de diâmetro menor e o outro escoa pelo espaço anular entre os 
dois tubos. Geralmente, este tipo de trocador apresenta dois trechos retos com 
conexões nas extremidades dos tubos. 
2. CLASSIFICAÇÃO DOS TROCADORES DE CALOR 
 
➔ Processo de transferência de calor 
➔ Tipo de Construção 
➔ Compacticidade 
➔ Disposição das correntes 
➔ Mecanismo de transferência de calor 
 
 
 
 
 
 
 
Fig 1. Adaptação do fluxograma da literatura 
 
Fonte: autoria própria 
 
2.1. Classificação pelo processo de transferência de calor 
 
Os trocadores de calor são divididos entre Processos de Transferência 
e Processos de Construção. Onde os processos de transferências são 
subdivididos em contato direto e contato indireto. São exemplos de trocadores 
diretos: pulverizadores de água, torres de resfriamento, nebulizadores de vapor 
e etc. Para trocadores de calor indiretos, não há mistura de fluidos, são 
separados de acordo com a temperatura, também são denominados como 
trocadores de calor por superfície. O controle da troca térmica é bem variado, 
mas é possível operar as máquinas de troca de calor para que favoreçam o 
objetivo desejado, como por exemplo: aquecimento, resfriamento, condensação, 
vaporização e permuta. 
 
2.2. Classificação de acordo com o tipo de construção 
 
Os principais trocadores de calor classificados pelas características 
construtivas são os tubulares, de placa, de tubo aletado, de placa aletada e 
regenerativos. 
 
Trocadores de calor tipo duplo tubo: são constituídos por dois tubos, um 
inserido no outro, formando dois espaços de escoamento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig 2. Trocador de calor duplo tubo 
 
Fonte: anônima 
 
Trocadores de calor tipo casco e tubos: são um dos modelos mais produzidos 
e possuem uma vasta diversidade de tamanhos, possuem muitos arranjos que 
facilitam o escoamento, trabalham com fluidos de líquido para líquido, líquido 
para gás ou gás para gás. Também são conhecidos como multi- tubulares, 
suportam temperaturas e pressões elevadas, são compostos por feixes de tubos, 
o casco, cabeçotes e as chicanas que são responsáveis por sustentar os tubos. 
 
 
Fig 3. Trocador de calor casco e tubos 
 
Fonte: anônima 
 
Trocadores de calor de placa: são constituídos por placas delgadas, sendo 
elas lisas ou onduladas, suportam temperaturas e pressões moderadas, com 
capacidade entre 120 e 230 m²/m³. Já os trocadores de calor por placa aletada, 
diferente dos trocadores de placa, possuem chapas planas que encontram-se 
entre as aletas, dependendo das orientações das aletas são obtidos os arranjos 
das correntes. Geralmente aplicados nas trocas de gás para gás que não 
ultrapassem 10 atm, suportando uma temperatura máxima de até 800ºC. 
 
 
 
 
 
 
Trocadores de calor de tubo aletado: atuam em alta pressão e possuem uma 
extensa superfície lateral, atuam a uma pressão máxima de 30 atm e cerca de 
no máximo 870ºC, com densidade máxima de 330 m²/m³. São muito utilizados 
em turbinas de gás, automóveis, aeroplanos, bombas de calor, refrigeração 
dentres muitas outras aplicações. 
 
 Fig 4. Trocador de calor tubo aletato 
 
Fonte: anônima 
 
Trocadores de calor regenerativos: podem ser classificados como estático ou 
dinâmico, para o estático não há partes móveis e possui uma consistência 
porosa, mas por meio do mesmo passam fluidos quentes e frios. Suportam altas 
temperaturas, de 900 a 1.50ºC, como pré-aquecedores de ar, na fabricação de 
choque e nos tanques de fusão de vidro. Regeneradores do tipo dinâmico podem 
operar em temperaturas de até 870ºC. 
 
Fig 5. Trocador de calor regenerativo 
 
Fonte: anônima 
 
2.3. Classificação de acordo com a compacticidade 
 
Por definição, um trocador de calor com densidade de área superficial 
maior do que cerca de 700 m²/m³, é classificado como trocador de calor 
compacto. Este modelo é tão prestativo pois reduz o volume do trocador de calor 
para um desenvolvimento especificado. As aletas são responsáveis por 
aumentar a eficiência ou compacticidade dos trocadores de calor. 
 
 
 
Fig 6. Trocador de calor compacto 
 
Fonte: anônima 
 
2.4. Classificação segundo a disposição das correntes 
 
Correntes paralelas: os fluidos quente e frios deixam juntos a mesma 
extremidade e seguem na mesma direção, não podem seguir por direções 
transversais. 
 
Contracorrentes: Os fluidos quente e frio fluem em direções opostas por 
extremidades contrárias ao trocador de calor. 
 
Correntes cruzadas: literalmente os fluidos encontram-se perpendicularmente, 
podem escoar misturados ou não 
 
Fig 7. Trocador de calor por correntes 
 
Fonte: anônima 
 
 
 
 
2.5. Classificação pelo mecanismo de transferência de calor 
 
➔ Convecção forçada ou convecção livre monofásica 
➔ Mudança de fase (ebulição ou condensação) 
➔ Radiação ou convecção e radiação combinadas 
 
Os tópicos acima são mecanismos de transferência que combinam-se 
entre si, em todos os trocadores de calor são possíveis de observar a convecção 
forçada monofásica. Maquinários como condensadores, caldeiras e radiadores 
incluem mecanismos de condensação, ebulição e radiação nas superfícies do 
trocador de calor. 
 
Condensadores: existem três tipos de condensadores que são, condensadores 
de superfície, condensadores a jato e os condensadores evaporativos, sendo o 
mais conhecido o condensador de superfícieque desenvolve uma caldeira a 
partir de uma alimentação de água. Os condensadores a vapor possuem fonte 
de calor como uma corrente de fluido quente diferentemente do comum que são 
produtos de combustão. 
 
3. Transferência de calor em trocadores 
 Geralmente, a transferência de calor em trocadores acontece por meio de dois 
mecanismos: pela convecção em cada fluido e pela condução na parede que os 
separa. Portanto, a área de troca térmica é um aspecto chave neste fenômeno 
(dada pelas equações da Lei de Fourier da Condução e da Lei de Newton do 
Resfriamento), de modo que o conhecimento da configuração estrutural dos 
trocadores de calor é fundamental para uma análise do seu funcionamento e 
desempenho. 
 Média logarítmica das temperaturas 
A princípio é importante lembrar das Leis de Fourier da Condução Térmica 
e a Lei de Newton do Resfriamento para descrever os fenômenos de condução 
e convecção, respectivamente, apresentadas abaixo. 
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 = −𝑘. 𝐴.
𝛥𝑇
𝛥𝑥
 e 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣 = ℎ. 𝐴. (𝑇𝑠 − 𝑇∞) 
 Ambos os mecanismos estão baseados em diferenças de temperatura. 
Nos trocadores de calor, é importante perceber que esta diferença de 
temperatura pode mudar ao longo do equipamento. Portanto, é evidente que 
para avaliar a transferência de calor no trocador, é necessário descrever as 
diferenças de temperaturas entre os fluidos quente e frio no interior do trocador 
de alguma maneira. Para isso, recorremos ao conceito de média logarítmica. 
Considera-se, por exemplo, um trocador de calor puramente contracorrente, 
como o representado de forma simplificada pela Figura 8. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 8 Trocador de calor com escoamento puramente contracorrente 
O terminal no qual entra a corrente quente e sai a corrente fria aquecida 
é chamado terminal quente. Denominando-se 𝜃1 a diferença de temperatura 
entre estas duas correntes, então, a diferença de temperaturas no terminal 
quente é dada por: 
𝜃1 = 𝑇𝑞𝑒𝑛 − 𝑇𝑓𝑠𝑎𝑖 
No outro extremo do trocador está o terminal frio, no qual entra a corrente 
fria e sai a corrente quente resfriada. A diferença de temperaturas entre estas 
duas correntes, no terminal frio, serão ditas 𝜃2, e é dada por: 
𝜃2 = 𝑇𝑞𝑠𝑎𝑖 − 𝑇𝑓𝑒𝑛 
 
A integração entre as equações de projeto se faz de forma que a 
transferência de calor esteja relacionada com a média logarítmica das diferenças 
de temperaturas (MLDT), a qual é calculada utilizando as diferenças de 
temperatura nos extremos do trocador (𝜃1 e 𝜃2), dada por: 
𝑀𝐿𝐷𝑇 = 
𝜃1 − 𝜃2
𝑙𝑛 𝑙𝑛 
𝜃1
𝜃2
 
 
MLDT é o método que leva em conta a Média Logarítmica das Diferenças 
de Temperatura, indicado quando as temperaturas são conhecidas ou podem 
ser determinadas. Neste método, os trocadores seguem a lei fundamental da 
termodinâmica: 𝑄 = 𝑚. 𝑐. 𝛥𝑇 no qual, se houver um fluxo de massa será 
utilizada a fórmula �̇� = �̇�. 𝐶. 𝛥𝑇 . Caso haja mudança de estado físico 
(condensação, vaporização), o fluido (ou fluxo de massa) absorverá ou cederá 
calor, mas sua temperatura não se altera. 
 
 
 
 
 
4. Coeficiente Global de Transferência de Calor 
Como já foi mencionado, a transferência de calor em trocadores acontece 
por meio de dois mecanismos: pela convecção em cada fluido e pela condução 
na parede que os separa. É conveniente trabalhar com um coeficiente global de 
transferência de calor (representado pela letra “U”), que junto da área de troca 
térmica pode ser descrito como a resistência total do sistema: 
𝑈. 𝐴 = 
1
𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
 �̇� = 𝑈. 𝐴. 𝛥𝑇 = 
𝛥𝑇
𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
 
 
 Esta será exatamente a abordagem que será utilizada com os trocadores 
de calor. A área de troca térmica (A) é um parâmetro característico da estrutura 
do equipamento. Avalia-se, então, o circuito térmico associado a um trocador de 
tubo duplo, em que um fluido percorre o interior do tubo e o outro percorre a 
região ao redor do tubo. Pode-se considerar, por exemplo, que no interior do 
tubo esteja o fluido quente (por consequência, o fluido frio está percorrendo por 
fora do tubo). Pode-se representar este circuito como duas resistências de 
convecção e uma resistência de condução entre elas (veja a figura e o circuito a 
seguir): 
 
Fig. 9: Circuito térmico associado a um trocador de calor de tubo duplo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Conhecendo também a condutividade térmica do material do tubo (k), o seu 
comprimento (L) e os seus diâmetros interno e externo (Di e Do), a resistência 
da parede será: 
𝑅𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑𝑒 = 
𝑙𝑛 𝑙𝑛 
𝐷𝑜
𝐷𝑖 
2. 𝜋. 𝑘. 𝐿
 
Então, a resistência térmica total é: 
𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑅𝑖 + 𝑅𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑𝑒 + 𝑅𝑜 = 
1
ℎ𝑖. 𝐴𝑖
+ 
𝑙𝑛 𝑙𝑛 
𝐷𝑜
𝐷𝑖 
2. 𝜋. 𝑘. 𝐿
+ 
1
ℎ𝑜. 𝐴𝑜
 
 
Agora, utilizando o conceito de coeficiente global de transferência de 
calor, tem-se: 
𝑈. 𝐴 = 
1
𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
 → 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 
1
𝑈. 𝐴
=
1
ℎ𝑖. 𝐴𝑖
+ 𝑅𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑𝑒 + 
1
ℎ𝑜. 𝐴𝑜
 
 
Note que, na equação anterior, temos três áreas sendo representadas. É 
evidente que a área interna do tubo (AI) é diferente da área externa (Ao). Ao 
mesmo tempo, sabe-se que a área “A” é justamente a área de troca térmica 
característica da estrutura do equipamento; mas afinal, quem é esta área de 
troca térmica, Ai ou Ao? A resposta não é tão intuitiva: na verdade, o mais 
sensato é abordar este problema considerando que o trocador de calor 
apresenta dois coeficientes globais de troca térmica, Ui e Uo, numericamente 
diferentes entre si, de modo que: 
 
 
 
Dessa forma, se é conhecido o coeficiente global de transferência de calor 
para um determinado trocador, é fundamental ter o conhecimento também de 
qual é a área a que ele diz respeito. Dito isto, pode-se desconsiderar esta 
diferença em um caso específico: quando a espessura do tubo for muito pequena 
(de modo que as áreas Ai e Ao serão quase as mesmas) e o material do tubo for 
um excelente condutor de calor. Nestas condições, a resistência térmica da 
parede (Rparede) tenderá a zero, podendo ser desprezada. Isto simplifica a 
equação da resistência total do sistema para a seguinte forma: 
 
 
 
 
Portanto, neste caso também podemos dizer que: 
 
Esta é uma aproximação razoável para muitos trocadores de calor. Na 
tabela a seguir, são apresentados alguns valores representativos para os 
coeficientes globais de troca térmica de trocadores típicos envolvendo diferentes 
pares de fluidos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 10: Valores representativos do coeficiente global de transferência de calor 
em trocadores de calor 
Conhecendo o cálculo de MLDT e o conceito de coeficiente global de 
transferência de calor, já se tem recursos suficientes para começar a lidar com 
problemas envolvendo trocadores de calor. Antes disso, será visto adiante ainda 
mais um aspecto importante acerca destes equipamentos: a incrustação – 
depósitos de materiais indesejáveis nas superfícies de troca térmica, que 
acarretam no aumento da resistência à transferência de calor no equipamento, 
como pode ser visto na figura 11 
Fig. 11: Incrustação orgânica em trocador de calor. 
. 
 
 
 
 
 
 
Em termos matemáticos, entende-se as camadas de incrustação como 
termos adicionais de resistência térmica. Geralmente, utiliza-se a letra “f ” para 
indicar estas resistências (devido ao termo em inglês para incrustação, “fouling”). 
Dessa forma, sendo Rf,i e Rf,o os chamados fatores de incrustação das 
superfícies interna e externa, respectivamente, pode-se ajustar a expressão para 
o cálculo da resistência total da seguinte forma: 
 
 
 
5. Método da Efetividade NUT 
O método MLDT é utilizado quando as temperaturas dos fluidos na 
entrada são conhecidas e as temperaturas de saída ou são especificadas ou 
podem ser determinadas pelas equações de balanço de energia. Quando as 
temperaturas não são conhecidas, é preferível utilizar o método da efetividade-
NUT. 
 Para definira efetividade de um trocador de calor, é importante, em 
primeiro lugar, determinar a taxa de transferência de calor máxima possível, 
qmáx. Essa taxa de transferência de calor poderia, em princípio, ser alcançada 
em um trocador de calor contracorrente com comprimento infinito. Em tal 
trocador, o fluido com menor capacidade calorífica iria apresentar a máxima 
diferença de temperaturas possível, (Tq,e – Tf,e). A capacidade calorífica pode 
ser definida como uma grandeza física que determina a relação entre a 
quantidade de calor fornecida a um fluido e a variação de temperatura 
observada no mesmo. Assim, as capacidades caloríficas dos fluidos quente e 
frio podem ser representadas pelas equações abaixo, respectivamente. 
 
 
 
 
 Dessa forma, efetividade pode ser definida como a razão entre a taxa 
de transferência de calor real e a taxa de transferência de calor máxima, tal 
como apresentado na Equação: 
𝜀 = 
𝑄𝑡𝑟𝑜𝑐𝑎𝑑𝑜
𝑄𝑚á𝑥
=
𝐶𝑞. (𝑇𝑞. 𝑒 − 𝑇𝑞. 𝑠)
𝐶𝑚𝑖𝑛. (𝑇𝑞. 𝑒 − 𝑇𝑓. 𝑒)
=
𝐶𝑓. (𝑇𝑓. 𝑠 − 𝑇𝑓. 𝑒)
𝐶𝑚𝑖𝑛. (𝑇𝑞. 𝑒 − 𝑇𝑓. 𝑒)
 
 Para o método NUT é valido que, para qualquer trocador de calor, a 
efetividade é uma função de NUT, das capacidades caloríficas dos fluidos e da 
geometria do trocador de calor, tal como explicitado na Equação abaixo: 
𝜀 = 𝑓(𝑁𝑈𝑇,
𝐶𝑚𝑖𝑛
𝐶𝑚𝑎𝑥
, 𝐺𝑒𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑎) 
 
 
A razão Cmin /Cmax pode ser igual à Cf /Cq ou Cq /Cf, dependendo das 
magnitudes relativas das taxas de capacidades caloríficas dos fluidos quente e 
frio. O número de unidades de transferência (NUT) é um parâmetro 
adimensional amplamente utilizado na análise de trocadores de calor, sendo 
definido de acordo com a equação a seguir. 
𝑁𝑈𝑇 = 
𝑈. 𝐴
𝐶𝑚𝑖𝑛
 
Onde U representa o coeficiente global de troca térmica, A é a área de 
troca de calor e Cmin representa a menor capacidade calorífica entre os fluidos 
quente e frio. 
 
6. Aplicação na indústria de alimentos 
Os processamentos de alimentos in natura necessitam de grandes 
trocas de calor, dependendo de quais objetivos espera-se alcançar, são 
buscadas formas mais econômicas para realizar. O calor é utilizado para eliminar 
microrganismos prejudiciais para então realizar estocagem e armazenamentos 
inócuas. Através da manipulação adequada do calor pode-se realizar 
pasteurização, caramelização, esterilização, emulsificação, gelificação, entre 
outros processos. Não obstante, para todos esses métodos processos há custos 
econômicos já que algumas máquinas possuem investimento e manutenção de 
alto valor, logo é indispensável o conhecimento e treinamento adequado para 
utilizar estes equipamentos, tendo em vista que o manuseio incorreto pode 
danificar o maquinário trazendo prejuízos. 
7. Conclusão 
 O trabalho tem como objetivo a pesquisa sobre a transferência de calor em 
trocadores. A transferência de calor permite calcular a taxa (velocidade) na qual 
a transferência do calor ocorre, é um fenômeno necessário para uma ampla 
variedade de processos da indústria de alimentos. Visando a segurança 
alimentar, o processamento térmico atua na eliminação de microrganismos 
patogênicos, esporos e inativação de enzimas deteriorantes. Geralmente, a 
transferência de calor em trocadores acontece por meio de dois mecanismos: 
pela convecção em cada fluido e pela condução na parede que os separa.Os 
trocadores de calor são divididos entre Processos de Transferência e Processos 
de Construção, exemplos de trocadores, pulverizadores de água, torres de 
resfriamento, nebulizadores de vapor e etc. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8. Referências 
FACCIN, Débora Jung Luvizetto; CAMPOS, Carlos Eduardo Pereira Siqueira. 
Monitoramento da Efetividade Térmica de Trocadores de Calor. 
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Trabalho de Diplomação em 
Engenharia Química. Porto Alegre, 2015. 
BOHORQUEZ, Washington Orlando Irrazabal. Trocadores de calor. 
Universidade Federal de Juiz de Fora, Departamento de Engenharia de 
Produção e Mecânica, 2014. 
ORGEDA, Rodrigo; YOSHII, H. C. M. H Trocadores de calor. Unidade 8. 
SOUZA, Davi Leonardo de. et al. Projeto de um Protótipo de Trocador de Calor. 
Revista Brasileira de Ciência, Tecnologia e Informação. Dezembro, 2017. 
Disponível em 
<https://seer.uftm.edu.br/revistaeletronica/index.php/rbcti/article/view/2152/314
8> acesso 30/14/2022 as 14h. 
 
https://seer.uftm.edu.br/revistaeletronica/index.php/rbcti/article/view/2152/3148
https://seer.uftm.edu.br/revistaeletronica/index.php/rbcti/article/view/2152/3148
	MANAUS – AM
	MANAUS – AM 2022