Relatório_7_Grupos_G1_e_G2

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO 
UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA 
FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA 
 
 
Av. João Naves de Ávila, 2.121, Sala 1K 217, Bloco 1K, campus Santa Mônica, Uberlândia – MG, CEP: 38400-902 
www.feq.ufu.br – e-mail: malagoni@ufu.br – Tel. 34 3230-9534 
 
 
 
 
 
RELATÓRIO DE LEQ II 
 
 
 
 
 
PRÁTICA 7 – TROCADOR DE CALOR 
Data de realização da prática: 02/05/2023 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
GRUPOS G1 E G2 
 
Ana Laura Martins Barbosa, 11711EQU013 
Augusto Vinicius de Campos Pedroso, 12111EQU058 
Henrique Gonçalves Nogueira, 12011EQU003 
Maria Gabriela Lacerda Cabral Silva, 11911EQU029 
Mateus Henrique de Marco Ávila, 12011EQU005 
Nicole Salvador, 12011EQU004 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
UBERLÂNDIA – MG 
2023
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RESUMO – Trocadores de calor são equipamentos projetados para transferir a energia térmica 
de um fluido a outro sem que haja contato direto entre eles. Com o intuito de estimar as 
propriedades relacionadas a esse tipo de processo, acompanharam-se as temperaturas de entrada 
e saída tanto da água quente quanto da água fria, respectivamente, pelo software Arduino Mega 
2560 nas vazões de 2,25 e 2,5 L/min, 2,25 e 1,00 L/min, 1,00 e 2,25 L/min. Após o tratamento 
de todas as informações coletadas, determinou-se que os coeficientes globais de troca térmica 
equivalem a 198,4307 J/s K m2, 66,2773 J/s K m2 e 132,6466 J/s K m2. 
 
PALAVRAS-CHAVE: Calor, efetividade, transferência. 
 
Objetivo: determinar o coeficiente global de troca térmica de um trocador de calor real a partir 
do método da efetividade. 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
O trocador de calor é um dispositivo utilizado para ceder a energia térmica de um fluido 
a outro, viabilizando o resfriamento ou o aquecimento de uma das substâncias. Por esse motivo, 
a operação unitária de transferência de calor é influenciada por fatores como a condutividade 
térmica dos materiais envolvidos, a área de superfície do trocador de calor e a taxa de fluxo dos 
fluidos. (KREITH & BOHN, 2003) 
Durante seu funcionamento, os fluidos escoam em caminhos separados, mas próximos o 
suficiente para permitir a transferência de calor entre eles. Dependendo do projeto e da 
configuração do equipamento, podem fluir em correntes paralelas, cruzadas ou contracorrentes. 
Nesse sentido, é importante salientar que o arranjo selecionado determinará tanto a eficiência 
do trocador de calor quanto sua capacidade de transmitir energia térmica. (SERTH & 
LESTINA, 2014) 
Por desempenharem um papel fundamental em diversas aplicações industriais, podem ser 
classificados de acordo com sua geometria, sendo mais comuns os de casco e tubos, placas e 
serpentinas. Enquanto o primeiro é versátil e amplamente empregado em refinarias e usinas de 
energia, os de placas são compactos, eficientes e utilizados nas indústrias alimentícia e 
farmacêutica. Como os do tipo serpentina são ideais para processos contendo fluidos viscosos 
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ou com tendência a incrustações, podem ser encontrados em caldeiras e setores químicos. 
(MITROVIC, 2012) 
 
 
Figura 1 – Trocadores de calor tipo placa. (Fonte: Soluções Industriais) 
 
 
Figura 2 – Trocador de calor tipo serpentina. (Fonte: Materiais Cerâmicos) 
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O método da efetividade baseia-se na análise dos parâmetros de transferência de calor 
para determinar a eficiência e a capacidade de um trocador de calor. Assim, a fim de otimizar 
o desempenho térmico, minimizar custos, avaliar a eficiência energética dos dispositivos em 
operação e identificar possíveis melhorias no sistema, aplica-se essa ferramenta na seleção e no 
projeto de trocadores de calor. (BEJAN & KRAUS, 2003) 
 
2. MATERIAIS UTILIZADOS 
 
• Trocador de calor tubo carcaça; 
• Dois rotâmetros; 
• Tanque para água fria; 
• Tanque para água quente; 
• Mangueiras; 
• Termopares; 
• Arduino Mega 2560. 
 
Figura 3 – Montagem experimental. (Fonte: autor) 
 
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3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 
 
A princípio, abriu-se o arquivo sketch_nov04a.ino contido na pasta Programa 
temperatura. Em seguida, foram executados os comandos Tools > Board > Arduino Mega 2560 
com o intuito de certificar que a opção Tools serial port estava ativa. Além disso, no If ao final 
do programa colocou-se tensao1 <10 e tensao1 >10. Por fim, as alterações feitas foram 
carregadas através da seta horizontal para a direita. 
Posteriormente, ligou-se a tomada da unidade do trocador de calor e, em sequência, a 
chave preta. Após isso, as vazões 1 e 2 foram ajustadas em 74 e 61, respectivamente, e 
aguardou-se até que todas as saídas estivessem circulando água para repetir a última etapa 
relacionada ao programa com tensao1 <60 e tensao1 >60, clicar em Serial monitor e 
acompanhar as temperaturas. A título de comparação, as vazões 1 e 2 também foram definidas 
tanto como 79 e 25 quanto 39 e 56. 
 
 
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 
 A partir da metodologia descrita acima, foram coletadas as informações abaixo, 
necessárias para mensurar o coeficiente global de troca térmica do trocador de calor. 
Tabela 1 – Valores medidos ao longo do experimento. 
 1 2 3 
TEQ (ºC) 60,12 59,16 61,80 
TSQ (ºC) 49,05 51,76 46,70 
TEF (ºC) 23,83 24,19 24,27 
TSF (ºC) 32,18 40,76 28,74 
VQ (L/min) 2,25 2,25 1,00 
VF (L/min) 2,5 1,00 2,25 
 
 Para isso, deve-se determinar tanto as propriedades físicas da água nas temperaturas de 
referência de 25 e 60 °C quanto as vazões mássicas, possibilitando estimar os parâmetros C por: 
 𝐶 = 𝑚 ∙ 𝑐𝑃 (1) 
Tabela 2 – Propriedades físicas da água em suas respectivas temperaturas de referência. 
Temperatura (ºC) ρ (kg/m3) μ (kg/m s) k (W/m K) cP (J/kg K) 
25 997,13 0,891 ∙ 10-3 0,617 4181,4 
60 983,13 0,467 ∙ 10-3 0,660 4184,3 
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Tabela 3 – Vazões mássicas e parâmetros C. 
 1 2 3 
VQ (L/min) 2,25 2,25 1,00 
VF (L/min) 2,5 1,00 2,25 
mQ (kg/s) 0,0368 0,0368 0,0164 
mF (kg/s) 0,0415 0,0164 0,0368 
CQ 153,9822 153,9822 68,6225 
CF 173,5281 68,5750 153,8755 
 
 Posteriormente, calcula-se a área de troca térmica disponível no trocador de calor. Por 
ser cilíndrico, tem-se que: 
 𝐴 = 𝑛 ∙ 𝜋 ∙ 𝐷 ∙ 𝐿 (2) 
 Onde n equivale a 26 tubos, sendo 13 em cada uma das duas passagens, D a 0,0095 m 
de diâmetro interno e L a 0,4 m de comprimento. Desse modo, A é igual a 0,3104 m2. 
 Como intuito de verificar Cr, efetividade e NUT, utilizam-se as seguintes relações: 
 𝑪𝒓 =
𝑪𝒎í𝒏
𝑪𝒎á𝒙
 (3) 
 𝜺 =
𝑻𝑬𝑸−𝑻𝑺𝑸
𝑻𝑬𝑸−𝑻𝑬𝑭
 (4) 
 
Figura 4 – Gráfico ε vs NUT. 
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 Dessa forma, pode-se calcular os coeficientes globais de troca térmica pela fórmula 
abaixo: 
 𝑵𝑼𝑻 =
𝑼𝑨
𝑪𝒎í𝒏
 (5) 
 Assim, os parâmetros equivalem a: 
Tabela 4 – Resultados. 
 1 2 3 
Cr 0,8874 0,4453 0,4460 
ε 0,3050 0,2116 0,4023 
NUT 0,4 0,3 0,6 
U (J/s K m2) 198,4307 66,2773 132,6466 
 
 Como o maior valor estipulado para U é referente ao primeiro caso, infere-se que houve 
uma maior troca térmica e, consequentemente, uma maior eficiência ao operar com vazões de 
de água quente e fria iguais a 2,25 e 2,5 L/min. 
6. CONCLUSÃO 
Conforme evidenciado anteriormente, ao manipular as vazões de água quente e fria que 
entram no trocador de calor, são obtidos coeficientes globais de troca térmica 
consideravelmente distintos. Nesse sentido, os valores de U nos casos 1, 2 e 3 foram iguais a: 
198,4307 J/s K m2, 66,2773 J/s K m2 e 132,6466 J/s K m2, respectivamente. Como o maior 
valor estipulado para U é referente às vazões de 2,25 e 2,5 L/min, tem-se que o primeiro arranjo 
é o processo mais eficiente e com maior troca térmica. 
 
REFERÊNCIAS 
 
BEJAN, A.; KRAUS, A. D. Heat Transfer Handbook. Wiley-Interscience, 2003. 
KREITH, F.; BOHN, M.S. Princípios de transferência de calor. 1ª edição. Cengage, 2003. 
MITROVIC, J. Heat Exchangers: Basics Design Applications. IntechOpen, 2012. 
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SERTH, R. W.; LESTINA, T. Process Heat Transfer: Principles, Applications and Rules 
of Thumb. 2nd edition. Academic Press, 2014. 
TROCADOR de calor tipo placa. Soluções Industriais. Disponível em: 
https://www.solucoesindustriais.com.br/empresa/maquinas-e-equipamentos/global-
trocadores-de-calor/produtos/maquinas-ferramenta/trocador-de-calor-tipo-placa. Acesso em: 
17 mai. 2023. 
TROCADOR de calor tipo serpentina. Materiais Cerâmicos. Disponível em: 
https://www.reidotitanio.com.br/trocador-de-calor-tipo-serpentina. Acesso em: 17 mai. 2023. 
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