Trocadores de calor

Prévia do material em texto

Trocadores de calor 
Apresentação
Muito utilizados na indústria, os trocadores de calor são dispositivos que facilitam a troca de calor 
entre dois fluidos, podendo assumir diversas formas e diferentes tamanhos. Recebem uma 
nomenclatura diferenciada quanto ao seu tipo e tamanho, à sua funcionalidade e, também, às suas 
características construtivas. O coeficiente global de transferência de calor relaciona as resistências 
térmicas de um trocador, sendo um fator determinante na seleção do trocador correto. Além disso, 
existem dois métodos muito comuns empregados na análise de trocadores de calor: o método 
LMDT e o método da efetividade-NTU, que são fatores de desempenho do dispositivo.
Nesta Unidade de Aprendizagem, você vai conhecer os tipos de trocadores de calor e seus 
métodos de análise. Ainda, vai aprender a calcular o coeficiente global de transferência de calor.
Bons estudos.
Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
Diferenciar entre os tipos de trocadores de calor, as formas construtivas e os trocadores 
compactos.
•
Calcular o coeficiente global de transferência de calor.•
Reconhecer métodos de análise de trocadores de calor.•
Desafio
Os trocadores de calor facilitam a troca de calor entre dois fluidos. Operam, portanto, com 
temperaturas de fluido quente e frio entrando e saindo do dispositivo. Métodos de análise de 
trocadores são empregados para trabalhar com as temperaturas envolvidas na troca de calor.
Neste Desafio, coloque-se no papel de profissional e considere que um trocador de calor compacto 
de placas interno precisa de um reparo. Para isso, é necessário conhecer alguns dados de operação 
do dispositivo. Acompanhe, a seguir:
Para realizar os reparos, determine as temperaturas de saída dos fluidos e indique o método de 
análise que deve ser utilizado nesse caso.
Infográfico
Visando a facilitar a troca de calor entre dois fluidos, os trocadores de calor podem assumir 
diferentes formatos e tamanhos, variando de acordo com o modo de operação. Assim, podem ser 
classificados quanto às suas características construtivas.
No Infográfico a seguir, você verá esquemas e desenhos construtivos dos principais trocadores de 
calor.
Aponte a câmera para o 
código e acesse o link do 
conteúdo ou clique no 
código para acessar.
https://statics-marketplace.plataforma.grupoa.education/sagah/0d2c920c-3c53-41d9-9cd1-bd3887eba466/14fca0cf-95e4-4ad5-a068-136d47c5da5f.png
Conteúdo do livro
Os trocadores de calor são dispositivos que aperfeiçoam a troca de calor. Normalmente, são 
compostos por tubos, placas ou superfícies aletadas, que auxiliam as trocas de calor entre dois 
fluidos. São utilizados na indústria, em sistemas de aquecimento, em ar-condicionado, etc. Operam 
segundo dois métodos de análise: o método da diferença de temperatura média logarítimica e o 
método da efetividade-NTU.
Para facilitar seu entendimento, leia o capítulo Trocadores de calor, da obra Fenômenos de 
transporte, e conheça a classificação desses dispositivos, bem como os métodos de análise citados e 
o cálculo do coeficiente global de transferência de calor.
Boa leitura.
FENÔMENOS DE 
TRANSPORTE
Cezar Augusto Schadeck
Trocadores de calor
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
  Diferenciar entre os tipos de trocadores de calor, as formas construtivas 
e os trocadores compactos.
  Calcular o coeficiente global de transferência de calor.
  Reconhecer os métodos de análise de trocadores de calor.
Introdução
Os trocadores de calor são dispositivos destinados a facilitar a troca de 
calor entre dois fluidos com temperaturas diferentes. Um trocador de calor 
tem utilização na indústria de sistemas de refrigeração, ar-condicionado, 
produção de potência, etc.
As trocas são realizadas pelo escoamento de fluidos, normalmente 
sem contato entre si, através de condução na parede da tubulação interna 
do trocador e correntes convectivas através da superfície do dispositivo, 
e a efetividade da troca é avaliada por meio de um coeficiente global de 
transferência de calor, o qual também seleciona o tipo e o tamanho do 
trocador a ser utilizado. Os métodos de análise de trocadores de calor 
são realizados por meio da diferença de temperatura média logarítmica 
(LMTD, do inglês log mean temperature difference) e o método da efeti-
vidade (NTU, do inglês number of transfer units). Os trocadores de calor 
podem variar quanto aos seus aspectos construtivos, assumindo vários 
tipos diferentes.
Neste capítulo, você aprenderá a diferenciar entre os tipos de troca-
dores de calor, suas formas construtivas e os trocadores compactos. Além 
disso, aprenderá a calcular o coeficiente global de transferência de calor, 
bem como reconhecerá os métodos para a análise de trocadores de calor.
Classificação dos trocadores de calor
Os trocadores de calor são facilitadores de troca de calor entre dois fl uidos que 
se cruzam no seu interior com temperaturas diferentes, porém sem que haja 
mistura entre os fl uidos. As formas pelas quais esses dispositivos trocam calor 
envolvem geralmente a condução através das paredes do trocador e a convecção 
em cada fl uido. Conforme a aplicação de transferência de calor, um trocador 
de calor pode assumir vários tipos diferentes (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).
Trocador de calor de tubo duplo
É o dispositivo mais comum, composto por dois tubos concêntricos e diâme-
tros diferentes, conforme mostrado na Figura 1. Um fl uido escoa através do 
tubo de menor diâmetro, enquanto outro fl uido escoa através da região anelar 
entre os dois tubos. Para escoamento paralelo, os fl uidos mais aquecido e 
menos aquecido entram e escoam na mesma extremidade e direção do tubo 
paralelamente. Já em escoamento contracorrente, os fl uidos entram em 
extremidades opostas e seguem direções de escoamento distintas.
Figura 1. Trocador de calor de tubo duplo em a) paralelo e em b) contracorrente.
Fonte: Adaptada de Çengel e Ghajar (2012, p. 630).
Trocador de calor casco e tubo
Bastante utilizado na indústria, esse trocador de calor possui vários tubos no 
interior de um casco, com eixos paralelos entre si e ao próprio casco. Um trocador 
de calor casco e tubo é apresentado na Figura 2. 
Trocadores de calor2
Esses eixos permitem o escoamento de um fluido juntamente com o es-
coamento que ocorre no interior dos tubos. Os tubos partem de uma caixa de 
distribuição, onde o fluido é armazenado para, posteriormente, escoar no interior 
do tubo. Na saída do tubo, também há uma caixa de distribuição para acúmulo 
do fluido antes de ele deixar o dispositivo. Com o intuito de forçar o fluxo no 
casco para fora dos tubos, são colocadas chicanas, fazendo a transferência de 
calor aumentar entre as regiões que compreendem os fluidos. Os trocadores de 
casco e tubo podem ser classificados como trocador de um passe no casco e 
dois passes nos tubos, por exemplo. Nesse trocador, todos os tubos dão a volta 
no casco. O trocador de casco e tubo pode ser também de dois passes no casco, 
e quatro passes, no tubo, pois ocorrem mais voltas pelo casco. Dois exemplos 
desses trocadores podem ser vistos nas Figuras 3 e 4, respectivamente.
Figura 3. Trocador de calor casco e tubo de um passe no casco e dois passes no tubo.
Fonte: Çengel e Ghajar (2012, p. 632).
Figura 2. Trocador de calor casco e tubo.
Fonte: Çengel e Ghajar (2012, p. 631).
3Trocadores de calor
Figura 4. Trocador de calor casco e tubo de dois passes no casco, 
e quatro passes, no tubo.
Fonte: Çengel e Ghajar (2012).
Trocador de calor regenerativo
Armazena grande quantidade de calor e é avaliado com passagem alternada 
de dois fl uidos pela mesma área. É caracterizado por um trocador estático, em 
que os dois fl uidos escoam de forma alternada em um meio poroso, fazendo o 
fl uido mais aquecido ser envolvido por dois fl uidos mais aquecidos, e vice-versa. 
O calor é transportado do fl uido quente de um regenerador para uma matriz, 
quefaz armazenamento de calor, no fl uxo de fl uido quente e, quando ocorre 
o fl uxo de fl uido frio, transfere o calor para o fl uxo frio. Esses trocadores de 
calor podem ser estáticos ou dinâmicos.
Trocador de calor de placa
É constituído por várias placas corrugadas com fl uxo de fl uido quente e 
frio. O escoamento ocorre de forma alternada, fazendo cada fl uxo de fl uido 
quente ser envolvido por dois fl uxos de fl uido frio, e vice-versa. Esses troca-
dores de calor são bastante efi cientes e podem ser utilizados na troca entre 
dois líquidos, porém com pressões aproximadas. Um trocador de placa é 
mostrado na Figura 5.
Trocadores de calor4
Figura 5. Trocador de calor de placa.
Fonte: Çengel e Ghajar (2012, p. 632).
Condensador e caldeira
Quando um dos fl uidos em escoamento é resfriado e condensado, o dispositivo 
que realiza o processo é chamado de condensador. O trocador é chamado de eva-
porador ou caldeira quando um dos fl uidos vaporiza à medida que absorve calor. 
Trocador de calor compacto
Garante uma grande região de troca de calor por unidade de volume. A densi-
dade de área β é a região que contém a relação entre a superfície de transferência 
de calor e seu volume, como, por exemplo, os radiadores de carro, que podem 
ser considerados compactos – assim como todos os trocadores de calor – por 
possuir β > 700 m²/m³. Os trocadores de calor compactos possuem altas ta-
xas de transferência de calor entre fl uidos. A superfície desses trocadores é 
constituída por aletas onduladas, espaçadas entre si, que separam os fl uidos 
5Trocadores de calor
envolvidos na troca, que pode ser entre dois gases ou um gás e um líquido. Os 
dois fl uidos escoam em 90° um ao outro (perpendicularmente), chamado de 
escoamento cruzado, podendo haver ou não mistura de fl uidos. O escoamento 
com mistura ocorre com o fl uido livre, para avançar na direção transversal ao 
trocador, e ambos os fl uidos são misturados, conforme mostrado na Figura 6. 
Já o escoamento ocorre sem mistura quando as aletas forçam o escoamento 
através de uma região determinada, paralela ao tubo, evitando a mistura 
(ÇENGEL, GHAJAR, 2012).
Figura 6. Trocador de calor compacto.
Fonte: Çengel e Ghajar (2012, p. 631).
Coeficiente global de transferência de calor
Além dos modos de transferência de calor por condução e convecção, o modo de 
transferência por calor por radiação é agregado ao coefi ciente de transferência 
de calor do trocador. O calor é transferido do fl uido quente para a superfície do 
tubo por convecção, e através do tubo, por condução. Em seguida, da parede 
para o fl uido frio, a troca ocorre por convecção novamente. A resistência 
térmica total de um trocador é defi nida na equação 1, com duas trocas por 
convecção, uma chamada de interna (índice i), e outra, externa (índice e), mais 
uma troca por condução na parede do tubo (índice c) (MORAN et al., 2009).
 (1)
Trocadores de calor6
Onde:
k – condutividade térmica do material da parede do tubo;
L – comprimento do tubo;
h – coeficiente de transferência de calor por convecção;
A – área da superfície de contato que separa os dois fluidos.
Assim, a taxa de transferência de calor para trocadores é dada pela equação 2:
 (2)
Onde AS é a área de superfície de contato e U é o coeficiente global de 
transferência de calor. Quando o trocador de calor possui áreas interna e 
externa diferentes, existirão dois coeficientes globais de transferência de calor, 
mostrados na equação 3.
 (3)
A unidade do coeficiente de transferência de calor no SI é o W/m2K; valores 
desse coeficiente são apresentados no Quadro 1 para trocadores de calor.
Fonte: Adaptado de Çengel e Ghajar (2012, p. 634).
Tipo de trocador de calor U [W/m²K]
Água – água 850–1.750
Água – óleo 100–350
Água – gasolina ou querosene 300–1.000
Aquecedores de água de alimentação 1.000–8.500
Vapor – óleo combustível leve 200–400
Vapor – óleo combustível pesado 50–200 
Condensador de vapor 1.000–6.000
Condensador de freon (resfriado a água) 300–1.000
Condensador de amônia (resfriado a água) 800–1.400
Condensador de álcool (resfriado a água) 250–700
Gás–gás 10–40
Quadro 1. Valores de coeficiente global de transferência de calor em trocadores de calor
7Trocadores de calor
Pelo fato de envolverem diferentes tipos de fluidos, os trocadores de calor 
podem se deteriorar ao passar do tempo, formando uma camada de depósitos 
na superfície do trocador, a qual representa uma resistência térmica adicional 
à transferência de calor. Esse efeito é chamado de fator de incrustação, Rf, que, 
muitas vezes, é chamado de corrosão ou precipitação de sólidos acumulados no 
fluido na superfície, que realiza a troca de calor. O fator das incrustações deve 
ser levado em consideração no projeto de trocadores de calor, e a manutenção 
dos dispositivos deve ser feita periodicamente, a fim de evitar esse inconveniente. 
Métodos de análise de trocadores de calor
É necessário escolher um trocador de calor com maior desempenho nas va-
riações de temperatura e com vazões defi nidas. Para essa escolha, são usados 
os métodos LMTD (diferença de temperatura média logarítmica) e método 
da efetividade-NTU (número de unidades de transferência).
O escoamento em trocadores de calor é, na maioria das vezes, conside-
rado permanente, com vazão mássica e temperaturas constantes e pequenas 
variações de velocidade, e a superfície externa do trocador é considerada 
isolada das suas vizinhanças. Desse modo, a taxa de transferência de calor é 
calculada, de acordo com equação 4, como:
 (4)
Onde:
 – é a taxa de escoamento, vazão mássica;
cp – calor específico à pressão constante;
Ts – Te – são as temperaturas de saída e entrada, respectivamente, no 
trocador.
A equação 4 é aplicada a fluidos quentes e frios, e o produto da vazão 
mássica pelo calor específico é comumente chamado de taxa de capacidade 
térmica, Ch (ÇENGEL, GHAJAR; 2012).
À diferença entre temperaturas quente e fria é atribuída uma diferença média 
de temperatura, ∆Tm, a qual geralmente é maior na entrada do trocador do que 
na saída. Por meio da temperatura média, é adotado o método de temperatura 
média logarítmica ∆Tlm, apresentado na equação 6, utilizado na análise de 
trocadores de calor. ∆T1 e ∆T2 são as diferenças de temperatura entre dois 
fluidos na entrada e saída do trocador, respectivamente (FOX et. al., 2018).
Trocadores de calor8
 (5)
 (6)
A LMTD é sempre utilizada para determinação da taxa de transferência 
de calor em trocadores de calor.
A variação das temperaturas dos fluidos quente e frio entram no trocador de calor 
de contracorrente em extremidades opostas. Para esse trocador, a temperatura de 
saída do fluido frio pode superar a temperatura de saída do fluido quente. Contudo, 
a temperatura de saída do fluido frio não pode ser maior do que a temperatura de 
entrada do fluido quente, pois violaria a segunda lei da termodinâmica. A LMTD para 
esse trocador de calor é sempre maior que a do trocador de escoamento paralelo, 
por exemplo. As variações de temperatura são mostradas na Figura 7. No trocador de 
contracorrente, a diferença de temperatura entre os fluidos quente e frio permanecerá 
constante quando as taxas de capacidade térmicas forem iguais (ÇENGEL, GHAJAR; 2012).
Figura 7. Trocador de calor de contracorrente com as variações de temperatura explicitadas 
na entrada e na saída do trocador.
Fonte: Çengel e Ghajar (2012, p. 643).
O método LMTD é bastante indicado na especificação do tamanho do 
trocador de calor e do valor do coeficiente global de transferência de calor. 
9Trocadores de calor
Quando a taxa de transferência de calor precisa ser expressa sem o conhe-
cimento das temperaturas de saída, o método da efetividade-NTU é mais 
indicado, uma vez que apresenta, sobretudo, a efetividade da transferência de 
calor do trocador (equação 7).
 (7)
A taxa real pode ser expressa em termos de dados do fluido quente ou do 
fluido frio, de acordo com a equação 8, onde C é a taxa de capacidade térmica 
dofluido (quente ou frio).
 (8)
Em contrapartida, a taxa de transferência de calor máxima envolve uma 
diferença de temperatura máxima entre as temperaturas de entrada dos 
fluidos quente e frio. A transferência de calor é máxima quando o fluido 
quente é resfriado até a temperatura de entrada do fluido frio, e este é aque-
cido até a temperatura de entrada do fluido quente. A taxa de transferência 
de calor máxima é encontrada por meio da menor taxa de capacidade térmica 
(calorífica), Cmin, e a diferença entre as temperaturas dos fluidos quente e frio 
na entrada do trocador, conforme a equação 9.
 na entrada do trocador de calor (9)
Finalmente, o número de unidades de transferência NTU é dado pela 
equação 10:
 (10)
As temperaturas de saída podem ser encontradas por meio da relação entre 
as temperaturas de entrada e as taxas de capacidade térmica ou calorífica. 
A equação 11 apresenta a relação que pode ser aplicada ao fluido quente ou 
frio na saída do trocador.
 (11)
A Figura 8 mostra as relações do NTU para trocadores de calor.
Trocadores de calor10
Figura 8. Valores do NTU para trocadores de calor.
Fonte: Çengel e Ghajar (2012, p. 658).
Determinação da taxa de transferência de calor máxima de um trocador de calor.
11Trocadores de calor
ÇENGEL, Y. A.; GHAJAR, A. J. Transferência de calor e massa: uma abordagem prática.
4. ed. São Paulo: LTC, 2012.
FOX, R. W. et al. Introdução à mecânica dos fluidos. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018.
MORAN, M. J. et al. Princípios de termodinâmica para engenharia. 6. ed. São Paulo: LTC, 2011.
Leitura recomendada
BRUNETTI, F. Mecânica dos fluidos. 2. ed. Rio de Janeiro: Pearson, 2008.
ÇENGEL, Y. A.; BOLES, M. A. Termodinâmica. Porto Alegre: Bookman, 2013.
CRISTINE, E. Fenômenos de transporte I: aula teórica 11. Campina Grande: UFCG, [20-?]. 
Disponível em: www.hidro.ufcg.edu.br/twiki/pub/FTEletrica0/MaterialDisciplina/Aula11.
pptx. Acesso em: 6 abr. 2019.
POTTER, M. C.; SOMERTON, C. W. Termodinâmica para engenheiros. 3. ed. Porto Alegre: 
Bookman, 2017. 
RESNICK, R.; WALKER, J.; HALLIDAY, D. Fundamentos de física: mecânica. 10. ed. Rio de 
Janeiro: LTC, 2016.
Trocadores de calor12
Dica do professor
Como o próprio nome indica, os trocadores de calor são dispositivos nos quais ocorrem trocas 
térmicas. São amplamente utilizados em diversas áreas da indústria e podem ter diversos tamanhos 
e diferentes características funcionais. Um radiador, por exemplo, opera como um trocador de 
calor.
Nesta Dica do Professor, aproveite para conhecer diferentes trocadores de calor e suas principais 
características.
Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.
https://fast.player.liquidplatform.com/pApiv2/embed/cee29914fad5b594d8f5918df1e801fd/b538e0f6fd1a0d043163ff4e909200b9
Exercícios
1) Um trocador de calor é caracterizado quanto aos seus aspectos construtivos e à sua 
funcionalidade. O trocador de calor composto por várias placas paralelas, as quais podem 
receber um fluxo de fluido frio entre dois fluxos de fluido quente de forma alternada recebe 
o nome de:
A) trocador de calor regenerativo.
B) trocador de calor compacto. 
C) condensador.
D) trocador de calor casco e tubo.
E) trocador de calor de placas.
2) Existem dois métodos de análise muito comuns usados em trocadores de calor: o método 
LMDT e o método da efetividade-NTU. Nesse contexto, o método LMDT é o mais indicado 
para quais análises?
A) Determinação do coeficiente global de transferência de calor e da temperatura na saída do 
trocador.
B) Tipo e tamanho de trocador e temperatura de saída do trocador.
C) Tipo e tamanho do trocador e efetividade da transferência de calor.
D) Tipo e tamanho do trocador e determinação do coeficiente global de transferência de calor.
E) Determinação do coeficiente global de transferência de calor e efetividade da transferência 
de calor.
3) Normalmente, a transferência de calor em trocadores de calor ocorre pelo contato do fluido 
com as paredes da tubulação (ou das placas internas), seguido da transferência de calor ao 
longo da tubulação ou das placas e, finalmente, da transferência entre a superfície sólida 
(tubo ou placa) e o fluido na saída do trocador. Portanto, pode-se dizer que as formas de 
transferência de calor envolvidas nesse processo, são, respectivamente:
A) condução, convecção e radiação.
B) convecção, condução e radiação.
C) convecção, condução e convecção.
D) radiação, condução e convecção. 
E) condução, convecção e condução.
4) Considere que óleo quente deve ser resfriado por um trocador de calor, e que a água escoa 
pelo tubo do trocador, que é do tipo contracorrente, com coeficiente de convecção igual a 
7600W/m2K. Para que o óleo seja resfriado, e sabendo que o coeficiente de transferência 
de calor por convecção do óleo vale 75W/m2K, qual será o coeficiente global de 
transferência de calor do trocador?
A) 0,0135W/m2K.
B) 74,26W/m2K.
C) 7675W/m2K.
D) 7600W/m2K.
E) 65W/m2K.
5) O método da efetividade-NTU é utilizado para encontrar o coeficiente global de 
transferência de calor quando as temperaturas, na saída de um trocador de calor, são 
desconhecidas. A efetividade do método é calculada levando em consideração a relação 
entre quais grandezas?
A) A transferência de calor pela transferência máxima de calor do trocador.
B) A taxa de transferência de calor pela taxa máxima de transferência de calor.
C) A taxa de transferência de calor pelo número NTU.
D) A taxa de transferência de calor pela taxa de capacidade térmica.
E) A transferência de calor pela taxa de capacidade térmica.
Na prática
Existem diversos tipos de trocadores de calor, sendo estes utilizados para diversas aplicações, como 
em sistemas de aquecimento e ar-condicionado doméstico, em usinas elétricas a vapor, em usinas 
de processamento químico, em radiadores de automóveis, entre outros. Nesse sentido, os 
dispositivos mais robustos atuam em complexos produtivos e em centrais que operam com fluidos 
industriais.
Na Prática, veja como funciona um trocador de calor especial, conhecido como torre de 
resfriamento.
Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.
https://statics-marketplace.plataforma.grupoa.education/sagah/c2b7b32f-caaa-43e5-a849-224516964f8f/7b2205aa-cf56-427f-85a2-2c07778a9553.jpg
Saiba +
Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto, veja abaixo as sugestões do professor:
Sistema de arrefecimento
O sistema de arrefecimento é responsável por manter a temperatura nos parâmetros ideais para o 
funcionamento do carro. Neste vídeo, veja como funciona esse sistema, o qual utiliza um trocador 
de calor do tipo radiador.
Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.
Trocador de calor de placas
No seguinte vídeo, acompanhe uma animação que mostra, detalhadamente, como funciona um 
trocador de calor de placas.
Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.
Transferência de calor e massa: uma abordagem prática
Para aprimorar seus conhecimentos sobre o conteúdo visto nesta Unidade de Aprendizagem, leia o 
capítulo Trocadores de calor desta obra.
Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino!
https://www.youtube.com/embed/nNVGUynIlMo
https://www.youtube.com/embed/Jpx_GstLHHM