AULA 2 - TROCADORES DE CALOR

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ENGENHARIA MECÂNICA INTEGRADA
AULA 2 
TROCADORES DE CALOR
Trocadores de calor são equipamentos que permitem a troca de calor entre dois fluidos. 
Existem dois tipos fundamentais de trocadores de calor: os trocadores de mistura e os trocadores de superfície. 
Nos trocadores de mistura, os fluidos entram em contato entre si. 
Já nos trocadores de superfície, existe uma parede que separa os dois fluidos, não deixando que eles entrem em contato 
TROCADORES DE CALOR
TROCADORES DE CALOR
Trocadores de calor de contato direto
• Neste trocador, os dois fluidos se misturam.
• Aplicações comuns de um trocador de contato direto envolvem transferência de massa além de transferência de calor
• Comparado aos trocadores de contato indireto, são alcançadas taxas de transferência de calor muito maiores
• Sua construção é relativamente barata.
TROCADORES DE CALOR
Trocadores de calor de contato indireto
• 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.
TROCADORES DE CALOR
TROCADORES DE CALOR
TROCADORES DE CALOR
Particularidades:
Trocadores de calor de acordo com a disposição do escoamento
Trocadores de calor de correntes paralelas
• Os fluidos quente e frio entram na mesma extremidade do trocador de calor, fluem na mesma direção e deixam juntos a outra extremidade.
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Trocadores de calor em contracorrente
• Os fluidos quente e frio entram em extremidades opostas do trocador de calor e fluem em direções opostas
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Trocadores de calor de correntes cruzadas
• Os fluidos, em geral, fluem perpendicularmente um ao outro.
• Na disposição em correntes cruzadas, o escoamento pode ser misturado ou não misturado.
TROCADORES DE CALOR
TROCADORES DE CALOR
CÁLCULO DE UM TROCADOR DE CALOR:
Para prever ou projetar o desempenho de um trocador de calor, é essencial relacionar a taxa global de transferência de calor com grandezas como as temperaturas de entrada e de saída, o coeficiente global de transferência de calor e a área superficial total da transferência de calor
TROCADORES DE CALOR
Pela aplicação de balanços globais de energia aos fluidos, um chamado de quente (identificado pelo índice q) e o outro chamado de frio (identificado pelo índice f), o fluxo de calor entre os fluidos em um sistema ideal é:
	q = calor trocado 			c = calor específico 
	ΔT = diferença de temperatura 	 = fluxo de massa
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As diferenças de temperatura são sempre positivas, sendo que ΔTq é diferença entre a temperatura de entrada e a temperatura de saída do fluido quente e ΔTf é a diferença entre a temperatura de saída e a temperatura de entrada do fluido frio.
Quando a eficiência (η) é diferente de 1, é possível escrever:
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Chamando de 1 a entrada e de 2 a saída, a expressão fica:
A eficiência do trocador de calor será:
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Média Logarítmica das Temperaturas
Lei de Fourier da Condução Térmica
Lei do Resfriamento de Newton
TROCADORES DE CALOR
Média Logarítmica das Temperaturas
Nos trocadores de calor, é importante perceber que esta diferença de temperatura pode mudar ao longo do equipamento (como foi demonstrado ao discutir o escoamento em paralelo ou contracorrente). 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.
TROCADORES DE CALOR
Considera-se, por exemplo, um trocador de calor puramente contracorrente, como o representado de forma simplificada.
Denominando-se θ1 a diferença de temperatura entre estas duas correntes (Tqen – Tfsai), então, a diferença de temperaturas no terminal quente é dada por:
TROCADORES DE CALOR
A diferença de temperaturas entre estas duas correntes, no terminal frio, será dita θ2 , e é dada por:
TROCADORES DE CALOR
Média Logarítmica das Temperaturas
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:
TROCADORES DE CALOR
Média Logarítmica das Temperaturas
Aqui, definimos MLDT com base no escoamento contracorrente. Exatamente o mesmo raciocínio poderia ser desenvolvido para o escoamento em paralelo, sendo diferente somente no cálculo dos termos θ1 e θ2, em que o primeiro será a diferença entre as temperaturas de entrada e o segundo será na saída, para ambos os fluidos (quente e frio).
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Coeficiente Global de Transferência de Calor
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. 
O 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:
TROCADORES DE CALOR
Considere, por exemplo, que no interior do tubo esteja o fluido quente (por consequência, o fluido frio está percorrendo por fora do tubo). Podemos representar este circuito como duas resistências de convecção e uma resistência de condução entre elas:
TROCADORES DE CALOR
Então, a resistência térmica total é:
Agora, utilizando o conceito de coeficiente global de transferência de calor, teremos:
TROCADORES DE CALOR
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, vimos que a área “A” é justamente a área de troca térmica característica da estrutura do equipamento.
É sensato 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:
TROCADORES DE CALOR
TROCADORES DE CALOR
Temos 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:
TROCADORES DE CALOR
Incrustação (em inglês: “fouling”) são depósitos de materiais indesejáveis nas superfícies de troca térmica, que acarretam no aumento da resistência à transferência de calor no equipamento.
TROCADORES DE CALOR
Gases de exaustão de uma caldeira, com temperatura de 230 °C podem ser utilizados para pré aquecer o ar ambiente, com temperatura de 30 °C. O ar aquecido é fornecido para o queimador da caldeira através de um trocador de calor, com 70% de eficiência. Igualando a vazão do ar a ser aquecido à dos gases de exaustão e considerando que os calores específicos são aproximadamente iguais e considerando que a temperatura na saída do fluido quente seja igual à temperatura de entrada do fluido frio, qual será a temperatura do ar aquecido?
EXERCÍCIO 1
RESOLUÇÃO 1
Considere um trocador de calor tubo duplo feito de aço inoxidável (k = 15,1 W/m.K), cujos tubos possuem um diâmetro interno Di = 1,7 cm e diâmetro externo Do = 2,0 cm. Sabe-se que os coeficientes de transferência de calor são hi = 750 W/m².K na superfície interna e ho = 1250 W/m2.K na externa. O fluido quente entra a 110 °C e sai a 70 °C, enquanto o fluido frio entra a 30 °C e sai a 60 °C, operando em contracorrente. Admitindo os fatores de incrustação Rf,i = 0,0003 m².K/W e Rf,o = 0,0001 m².K/W, determine:
(a) a resistência térmica totaldo trocador de calor por unidade de comprimento (L = 1 m); (b) os coeficientes globais de transferência de calor Ui e Uo; (c) a média logarítmica das diferenças de temperatura ao longo do equipamento (MLDT).
EXERCÍCIO 2
RESOLUÇÃO 2
RESOLUÇÃO 2
RESOLUÇÃO 2
RESOLUÇÃO 2
RESOLUÇÃO 2
Os coeficientes globais de transferência de calor Ui e Uo se o condutor estiver sem incrustação
RESOLUÇÃO 2
Com respeito a trocadores de calor, analise as afirmativas a seguir:
I. Um trocador de calor se caracteriza por transferir calor de um fluido para o outro, sob temperaturas diferentes, podendo ou não ser misturados, com intuito de arrefecer ou aquecer um determinado fluido.
II. Os trocadores de calor são projetados para maximizar a área de superfície da parede entre os dois fluidos, enquanto minimiza a resistência ao fluxo do fluido através do trocador com intuito de aumentar eficiência.
III. As aletas são usadas em toda área da tubulação para aumentar a troca de calor, construídas em materiais de excelente condutibilidade térmica e acarretam em um aumento drástico da pressão de entrada e saída.
IV. Em trocadores de calor contracorrente os fluidos entram no trocador em lados opostos, é mais eficiente, e os fluidos fluem aproximadamente perpendiculares entre si através do trocador.
Assinale:
A) se somente a afirmativa II estiver correta.
B) se somente as afirmativas I e IV estiverem corretas.
C) se somente as afirmativas II e III estiverem corretas.
D) se somente as afirmativas I, II e IV estiverem corretas.
E) se todas as afirmativas estiverem corretas.
Exercício Teórico I
Resposta Correta: D
Trocadores de calor são equipamentos empregados para realizar a troca de calor entre dois ou mais fluidos sujeitos a temperaturas diferentes. Podem ser classificados de diversas formas: quanto à forma de troca de calor; quanto ao número de fluidos; e quanto ao tipo de construção, entre outras. A classificação quanto ao processo de transferência empregado identifica os trocadores de contato direto e os de contato indireto. A esse respeito, analise as afirmativas a seguir, marcando V para a afirmativa verdadeira e F para a falsa.
Exercício Teórico II
A esse respeito, analise as afirmativas a seguir, marcando V para a afirmativa verdadeira e F para a falsa.
( ) Nos trocadores de contato direto, os dois fluidos se misturam. É comum que ocorra também uma transferência de massa. Esse tipo de trocador de calor apresenta taxas de troca de calor muito altas. 
( ) As torres de resfriamento são exemplos clássicos de trocadores de calor de contato direto – neste caso, os fluidos, normalmente, são a água e o ar. 
( ) Nos trocadores de calor de contato indireto, há um fluxo de calor do fluido mais quente para o fluido mais frio através de uma parede que os separa. 
( ) Os trocadores de calor de contato indireto podem ser de transferência direta ou de armazenamento. Os trocadores de calor de armazenamento também são chamados de regeneradores.
Exercício Teórico II
Resposta Correta: V, V, V e V
DÚVIDAS ?