PRATICA TROCADORES DE CALOR

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS 
Laboratório de Sistemas Térmicos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TROCADORES DE CALOR 
Abiel Basílio e Silva 
Caíque Moreira Pires Coelho 
Alex Silva Simões 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Belo Horizonte 
2023
SUMÁRIO 
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................ 3 
1.1 Objetivo Principal ....................................................................................... 4 
1.2 Objetivos Específicos ................................................................................ 4 
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ...................................................................... 5 
3 METODOLOGIA ............................................................................................. 5 
3.1 Descrição dos equipamentos .................................................................... 8 
3.2 Descrição dos procedimentos experimentais ......................................... 8 
4 RESULTADOS ................................................................................................ 9 
4.1 Análise dos resultados ............................................................................ 10 
5 CONCLUSÕES ............................................................................................. 12 
REFERÊNCIAS ................................................................................................ 13 
3 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
 
Trocadores de calor são dispositivos que facilitam a troca de calor entre 
fluidos de temperaturas diferentes, podendo ou não ocorrer a mistura dos 
mesmos. Sua aplicação abrange desde aparelhos domésticos como geladeira e 
ar-condicionado, à processos químicos e produção de potência em grandes 
usinas. 
A troca de calor se dá por convecção entre os fluidos e as superfícies do 
trocador de calor e por condução nas paredes do trocador de calor. A taxa de 
transferência de calor pode variar ao longo do trocador de calor, pois depende 
da diferença entre as temperaturas dos fluidos em cada ponto do trocador de 
calor. 
Os trocadores de calor podem ser classificados através de sua geometria 
e pelo sentido dos escoamentos através do trocador de calor, um exemplo é o 
trocador coaxial ou de tubos concêntricos, Figura 1. 
 
Figura 1 – Trocador de calor coaxial 
 
Fonte: GHAJAR (2011, p. 631) 
 
 
 
Outros exemplos são: 
a) casco e tubos; 
4 
 
b) matriz tubular; 
c) placas; 
d) compactos. 
 
 
1.1 Objetivo Principal 
 
 
O objetivo principal desta prática é determinar a taxa de transferência de 
calor do trocador em um trocador de calor de tubos concêntricos operando 
em contra correntes e em correntes paralelas. 
 
1.2 Objetivos Específicos 
 
 
Os objetivos específicos desta prática são: 
a) determinar experimentalmente a vazão dos fluidos no trocador de 
calor e suas as temperaturas de entrada e saída do trocador de calor 
para as configurações em série e paralelo; 
b) determinar a diferença média logarítmica das temperaturas, o 
coeficiente global de transferência de calor e a efetividade para cada 
modo de operação do trocador de calor. 
5 
 
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 
 
 
A taxa de transferência de calor em um trocador de calor pode ser determinada 
pela taxa de variação de energia em cada um dos escoamentos, mas também é 
possível obtê-la com base na equação do trocador de calor 
 
𝑞𝑓 = 𝑚̇ 𝑓𝑐𝑝(𝑇𝑠𝑓 − 𝑇𝑒𝑓) 
 
 
𝑞𝑞 = 𝑚̇ 𝑞𝑐𝑞(𝑇𝑠𝑞 − 𝑇𝑒𝑞) 
 
 
𝑞 = 𝑈𝐴∆𝑇 
 
 
𝑞 = 𝑞𝑓 = −𝑞𝑞 
 
 
Onde q é a taxa de transferência de calor em um trocador de calor, U o 
coeficiente global de transferência de calor, A a área de transferência de calor e 
∆𝑇 a média logarítmica das diferenças de temperatura. 
 
 
O coeficiente global de transferência de calor pode ser obtido analisando as 
resistências térmicas envolvidas na troca de calor entre os fluidos e a área de 
transferência de calor envolvida. Fazendo uma análise usando a área lateral 
externa do tudo interno do trocador de calor, podemos obter: 
 
𝑈 = [
 𝑑𝑒 +
 𝑑𝑒 
 
𝑑 
𝑙𝑛 ( ) +
 1 
]
−1
 
𝑑𝑖ℎ𝑖 2𝑘𝑡𝑢𝑏𝑜 𝑑𝑖 ℎ𝑒 
 
 
𝐴𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 = 𝜋𝑑𝑒𝐿 
 
 
Já a média logarítmica das diferenças de temperaturas avalia a distribuição das 
temperaturas de ambos os fluidos ao longo do trocador de calor. Para obter os 
valores das diferenças de temperaturas basta relacionar ∆𝑇1 e ∆𝑇2 relacioná-las 
com modo de escoamento do fluido, isto é se ele ocorre em paralelo, Figura 2, 
ou em contra correntes, Figura 3. 
𝑒 
6 
 
∆𝑇 =
 ∆𝑇2−∆𝑇1 
𝑙𝑛(∆𝑇2/∆𝑇1) 
 
 
Figura 2 – Escoamento em paralelo 
 
Fonte: GHAJAR (2011, p. 631) 
 
 
Figura 3 – Escoamento em contra correntes 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: GHAJAR (2011, p. 631) 
7 
 
Trocadores de calor não são máquinas térmicas para terem eficiência, mas é 
possível avaliar o seu comportamento em função de sua efetividade. A 
efetividade avalia a taxa de transferência de calor presente no trocador de calor 
em relação a máxima taxa de transferência de calor que ocorreria em um 
trocador de calor infinito operando em contra correntes. 
 
𝜀 = 
𝑞
 
𝑞𝑚̇á𝑥 
= 
𝑞 
𝗌∙𝐶̇ 𝑚̇í𝑛∙(𝑇𝑒𝑞−𝑇𝑒𝑓) 
8 
 
3 METODOLOGIA 
 
 
3.1 Descrição dos equipamentos 
 
 
Os materiais a serem utilizados são: 
a) aquecedor elétrico; 
b) trocador de calor de tubo duplo água-água; 
c) termopares tipo t; 
d) sensores de temperatura; 
e) cronômetro; 
f) multímetro; 
g) variador de tensão (fonte vca). 
 
 
3.2 Descrição dos procedimentos experimentais 
 
 
a) Abrir os dois registros de água fria; 
b) Ligar a bomba de água no painel de controle; 
c) Ligar a resistência do aquecedor elétrico no painel de controle, 
ajustando a potência elétrica desejada (temperatura de entrada da água 
quente no trocador de calor) através da fonte Vca; 
d) Operar o trocador de calor em correntes paralelas, aguardar atingir o 
regime permanente e efetuar as medidas constantes nas Tabelas 1 e 2; 
e) Operar o trocador de calor em contracorrentes, aguardar atingir o regime 
permanente e efetuar as medidas constantes nas Tabelas 3 e 4. 
9 
 
4 RESULTADOS 
 
 
Tabela 1 – Coleta de dados 
Dados Escoamento em paralelo 
Escoamento em contra 
corrente 
Temperatura ambiente °c 20,98 20,47 
Volume 
(ml) 935 950 
m³ 9,35E-04 9,50E-04 
Tempo (s) 45,53 45,22 
Vazão volumétrica (m³/s) 2,05E-05 2,10E-05 
vazão mássica (kg/s) 2,05E-02 2,09E-02 
cp (J/kg.K) 4,18E+03 4,18E+03 
Temperatura de entrada da água 
fria Tef 
mV -0,067 -0,06 
°c 19,33 18,99 
Temperatura de entrada da água 
quente Teq 
mV 0,968 1,013 
°c 44,26 44,83 
Temperatura de saída da água 
fria Tsf 
mV 0,323 0,455 
°c 28,86 31,55 
Temperatura de saída da água 
quente Tsq 
mV 0,576 0,589 
°c 34,95 34,77 
 
Fonte: Elaborada pelos autor 
 
 
Tabela 2 - Resultados 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Elaborada pelos autor 
 
 
 
 
 
 
 
 
Escoamento em 
paralelo
Escoamento em contra 
correntes
°c 24,93 13,28
°c 6,09 15,78
°c 13,37 14,49
Taxa de transferência de 
calor
W/m² 815,89 1099,65
Efetividade - 0,38 0,39
Resultados
10 
 
4.1 Análse de Resultados 
 
Os dados anotados na tabela 1 , indicam que em ambas as configurações de trocador 
de calor os valores de vazão e de temperaturas de entrada não variaram muito no 
entanto e possível notar algumas variações na temperatura de saída de água fria. 
 
Na tabela 2 e possível observar que quando configurado em escoamento em paralelo o 
trocador de calor teve menor variação de temperatura nas saídas do trocador de calor 
e um ∆𝑇 igaul a 6,09°c. A transferência de calor ocorreu em uma taxa de 815,89 [w/m²] 
com uma efetividade de 38%. 
 
Também na tabela 2 foi visto que que quando configurado em escoamento em contra 
corrente o trocador de calor teve maior variação de temperatura nas saídas do trocador 
de calor e um ∆𝑇 igaul a 15,78°c.Quandoconfigurado em escoamento contra corrente 
apresentou maior taxa de tranrência de calor, que foi igual a 1099,65 [w/m²] a uma 
efetividade ligeiramente maior valendo 39%. 
 
 
5. CONCLUSÕES 
 
A prática teve como objetivo determinar a taxa de transferência de calor e eficácia do 
trocador de calor em dois arranjos diferentes sendo eles contra-corrente e paralelo, e 
de acordo com o experimento, é possível concluir que mesmo com valores de vazão, 
temperatura ambiente e de temperaturas de entradas próximos o trocador de calor 
que utiliza contra correntes possui uma eficiência de troca térmica maior/melhor, 
valendo 52,49%. Desse modo comprovando experimentalmente que o trocador de 
calor na configuração contra corrente possui maior capacidade de transferir calor. 
 
 
 
 
 
REFERÊNCIAS 
 
 
GHAJAR, Afshin J.; ÇENGEL, Yunus A. Transferência de Calor e Massa: 
Uma Abordagem Prática. 4. ed. Porto Alegre: AMGH EDITORA, 2011. 
 
LAVINE, Adrienne S.; DEWITT, David P.; INCROPERA, Frank P.; BERGMAN, 
Theodore L. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. 6. ed. Rio 
de Janeiro: LTC, 2008.