Trocadores de Calor

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TROCADORES DE CALOR 
Classificação dos trocadores 
De uma forma geral 
podemos classificar os 
trocadores: quanto ao 
modo de troca e tipo de 
construção. 
Trocadores de contato indireto 
 Neste tipo de trocador, os fluidos permanecem 
separados e o calor é transferido continuamente 
através de uma parede, pela qual se realiza a 
transferência de calor. E eles se classificam em 
trocadores de transferência direta e de 
armazenamento. 
A) Trocadores de transferência direta 
 Neste tipo, há um fluxo 
continuo de calor do fluido 
quente ao fluido frio através 
de um parede que os separa. 
Não há mistura entre eles, 
pois cada corrente 
permanece em passagem 
distintas, e os principais tipos 
são os de placas de 
superfície estendida e os 
tubulares. 
B) Trocador de armazenamento 
 Neste tipo os fluidos 
percorrem alternadamente 
as mesmas passagem, e a 
superfície de transferência 
é chamada de matriz. 
Trocadores de contato direto 
 Neste trocador os fluidos 
se misturam, alem de troca 
térmica há também a 
transferência de massa. 
 Gás– líquido 
 Líquido imiscível – líquido 
 Sólido-líquido ou sólido-
gás. 
Classificação de acordo a 
construção 
 
Trocador tipo tubo duplo 
 Consiste em dois tubos 
concêntricos, de construção 
simples onde um fluido 
escoa pelo tubo interno e o 
outro pela parte anular entre 
tubos em contra fluxo ou 
contra corrente, geralmente 
usado para pequenas 
capacidades. 
Trocador de Tubo em Tubo 
Trocador de serpentina 
 Este tipo consiste de uma 
ou mais serpentinas 
ordenada em uma 
carcaça, possui alta 
eficiência e as expansões 
térmicas não são 
problemas, porém a 
limpeza é complicada. 
Tipo casco tubo 
 Construído de tubos, trabalham 
com líquido-líquido (um ou duas 
fases), tem grande eficiência 
com gás – gás principalmente a 
elevadas temperaturas e 
pressões, podem ser carcaça-
tubo, duplo tubo ou espiral. 
Trocador de placas 
Troca de Calor - Configurações 
Contracorrente 
 
Corrente Paralelas 
 
Correntes Cruzadas 
 
Multipasse 
CORRENTES PARALELAS 
 
Nesse tipo de trocador de calor, o fluido quente e o frio entra pelo mesmo 
lado do trocador e escoam no mesmo sentido. Conforme os fluidos escoam, 
há a transferência de calor do fluido quente para o frio. Usualmente estão 
associados a trocadores tipo duplo tubo. 
Entrada 
Quente 
Entrada Fria 
Saída Quente 
Saída Fria 
CORRENTES OPOSTAS 
 
Nesse tipo de trocador de calor, o fluido quente entra por um lado e o frio entra 
pelo lado oposto. O escoamento ocorre em sentidos opostos. Apresenta uma 
maior eficiência global quando comparado com o de corrente paralela. 
Entrada 
Quente 
Saída Fria 
Entrada Fria 
Saída Quente 
Passes 
 
 É quantidade de 
vezes que o fluido 
passa pela carcaça 
e pelos tubos. 
Entendendo o Passe 
Três no casco e seis nos tubos 
Quatro no casco e oito nos tubos 
Um no casco e três nos tubos 
Escolha do fluido 
O trocador já está para receber determinados 
líquidos nos tubos e no casco. Isto é escolhido 
pelo projetista do trocador de calor. Não há 
regras fixas que estabeleçam qual o tipo de 
fluido deve passar pelos tubos. 
 
Para começar, vamos aplicar a primeira lei da Termodinâmica para relacionar 
as quantidades de troca de calor: 
Cálculo da Diferença Média Logarítmica de Temperaturas 
Cálculo da Diferença Média Logarítmica de Temperaturas 
Integrando e substituindo pelas equações: 
Teremos: 
O termo entre chaves é conhecido como a Diferença Média Logarítmica de 
Temperaturas ou LMTD (do inglês Log Mean Temperature Difference). 
Q = taxa de transferência térmica (W) 
 U = coeficiente de transferência de calor global (W/(m²·K)) 
 A = área de superfície de transferência de calor (m2) 
∆TLM 
Diferença Média Logarítmica de Temperaturas (LMTD) – Correntes Paralelas 
Método Da Diferença Média Logarítmica - Fluxo Paralelo 
Com estes dados, pode-se calcular ΔTlm e Q, tendo U pode-se finalmente calcular As que dará o 
“tamanho” do trocador. A corrente quente passa pelo tubo interno. 
Método Da Diferença Média Logarítmica Contra Fluxo 
Método Da Diferença Média Logarítmica Multipasse E Fluxo Cruzado 
Onde o fator F de correção é determinado a partir de gráficos como o das figuras abaixo 
para diversas configurações. Nestes gráficos, F depende de dois fatores: 
0,85 
COEF. GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE 
CALOR 
 
 
Este coeficiente se define em termos da resistência térmica 
total à transferência de calor entre os dois fluidos. As superfícies 
ficam sujeitas a incrustações de impureza dos fluidos, ferrugem 
e a outras reações entre os materiais do fluido e das paredes, 
aumentando assim a resistência à transferência de calor entre 
os fluidos, influindo assim, neste coeficiente. 
Coeficiente Global De Transferência De Calor 
O Coeficiente Global De Transferência De Calor 
A resistência térmica para um trocador do tubo e carcaça representa-se por 
Onde k é a condutividade térmica e L o comprimento do tubo. A resistência 
térmica total passa a ser: 
h é o coeficiente de transferência térmica dos fluidos frio (hi) e quente (ho) 
A taxa de troca de calor entre os dois fluidos é dada por: 
Sendo U o coeficiente global de transferência de calor em W/m2.ºC 
Correlação de Dittus–Boelter (1930): convecção forçada dentro de tubos 
Kw- condutividade do líquido (i.e. água) 
DH - Diâmetro hidráulico 
Nu - Número de Nusselt 
Pr - Número de Prandtl 
Re - Número de Reynolds 
n = 0.4 para aquecimento e 0.33 para resfriamento 
Caso de Incrustação 
f
i
P
R
hoAo
As
kL
Di
Do
As
Aih
As
U









.2
ln
1

Rf - Fator de Incrustação deve ser estimado de tabela de valores padrão ou da experiência. Durante a 
operação o valor da incrustação cresce de zero (superfície limpa) até o valor de tabela, a medida que os 
depósitos se acumulam. 
Temperatura do 
de Aquecimento 
Meio Até 115 C 115 - 205 C 
Temperatura da água 50 C ou menos Acima de 50C 
Velocidade da água 1 m/s e abaixo acima de 1 m/s 1 m/s e abaixo acima de 1 m/s 
Tipos de água 
 Destilada 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 
 Do Mar 0,0001 0,0001 0,0002 0,0002 
 Salobra 0,0004 0,0002 0,0005 0,0004 
 Potável ou de poço 0,0002 0,0002 0,0004 0,0004 
 De Rio 0,0005 0,0004 0,0007 0,0005 
 Dura 0,0005 0,0005 0,0009 0,0009 
 Alimentação 
 Caldeira 
de 0,0002 0,0001 0,0002 0,0002 
Líquidos 
Gasolina Líquida, oleo, gás liquefeito de petróleo 
Óleos vegetais 
Soluções básicas 
Refrigerantes, Amônia, metanol, etanol e soluções de etileno 
glicol 
 0,0002 - 0,0004 
 0,0005 
 0,0004 
 0,0002 
 0,0004 
Gases 
 Natural 0,0002 - 0,0004 
 Vapores de solventes 
 Vapor d’água (sem presença de óleo) 
 Vapor d’água (com presença de óleo) 
 Ar comprimido 
 0,0002 
 0,0001 
 0,0003 - 0,0004 
 0,0002 
 Amônia 0,0002 
Tabela - Fatores de Incrustação - Rf (m2 K/W) 
Geralmente os trocadores de calor tem duas superfícies que não 
são iguais, a interna e a externa, dai terem também dois 
Coeficientes Globais de Transferência de calor que não são 
iguais Ui ≠ Uo. 
 
Quando o tubo é muito delgado geralmente despreza-se a 
resistência térmica da parede deste (Rparede≈0)  Ai = Ao = As 
daí: 
Caso de Parede Fina 
Com o método da diferença média logarítmica o que se espera é selecionar o 
tamanho do trocador de calor que satisfaça as condições de processo. O 
processo da seleção é então dado por: 
 
• Selecionar o tipo de trocador adequado para a aplicação 
• Determinar as temperaturas de entrada e saída, assim como a taxa de 
transferência de calor, com o uso das equações de balanço de energia. 
• Calcular a diferença média logarítmica e fator de correção (se necessário) 
• Obter o valor do coeficienteglobal de transferência de calor (U) 
•Calcular a superfície de transferência necessária (As) 
• Selecionar um trocador de calor que satisfaça esta área de transferência 
DIMENSIONAMENTO DE TROCADOR DE CALOR 
I) Um TRC de contra-fluxo (bitubular) aquece água de 20 a 80º C a uma taxa 
de 1,2 kg/s. Isto é feito com um fluido a 160º C e vazão mássica de 2 kg/s. O 
tubo interno tem diâmetro de 1,5 cm de parede fina. Se U= 640 W/m2.oC. 
Determine o comprimento do trocador. 
 
De tabela: a) água: cp=4,18 kJ/kg.oC e b) água quente (geothermal water): cp=4,31 kJ/kg.oC, 
W=J/s 
EXERCÍCIOS 
II) Um radiador tem 40 tubos de diâmetro interno 0,5 cm e comprimento 65cm, 
envoltos por uma matriz de aletas (placas). A água entra nos tubos a 90oC e 0,6 
kg/s e sai a 65ºC. O ar cruza o radiador direcionado pelas placas sendo 
aquecido de 20 a 40º C. Determine Ui deste radiador. 
0,97 
0,36 
Um trocador de calor casco e tubos deve ser projetado para aquecer 
(Mfria = 2,5 kg/s) de água de 15 a 85°C. O aquecimento deve ser feito 
pela passagem de óleo de motor aquecido, que está disponível a 
160°C, pelo lado do casco do trocador de calor. Sabe-se que o óleo 
proporciona um coeficiente convectivo médio na superfície externa 
dos tubos igual a he = 400 W/(m2.K). A água escoa no interior dos 
tubos, que são em número de dez. Os tubos, que possuem paredes 
delgadas, têm diâmetro D = 25 mm, e cada um deles faz oito passes 
através do casco. Se o óleo deixa o trocador a uma temperatura de 
100°C, qual é a sua vazão mássica (Mquente kg/s)? Qual deve ser o 
comprimento dos tubos para se atingir o aquecimento desejado? 
Trabalho Dirigido 
Considerações: 
1. Perda de calor para a vizinhança e mudanças nas energias cinética e potencial 
desprezíveis. 
2. Propriedades constantes. 
3. Resistência térmica na parede do tubo e efeitos da deposição desprezíveis. 
4. Escoamento da água nos tubos completamente desenvolvido. 
Propriedades: Tabela: óleo de motor novo (Tq = 130°C) : cp = 2350 J/(kg.K). 
Tabela: água (Tf = 50°C) : cp = 4181 J/(kg.K), μ=548X10o6 N.s/m2, k =0,643 W/(m .K), Pr 
=3,56. 
Sendo m1 = mágua/número de tubo  corrente que 
passe por dentro de UM tubo interno.