Artigo trocador de calor

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Trocador de calor
Natália Soares Santos Martins
nataliasoaressm@gmail.com
Operações Unitárias – Luiz Antonio de Almeida Pinto
2017
Resumo
O trocador de calor é um equipamento que efetua a transferência de calor de um fluido para outro. O tipo mais simples de trocador de calor consiste de um recipiente em que um fluido quente e outro frio são misturados diretamente. Em tal sistema, ambos os fluidos adquirirão a mesma temperatura final, e a quantidade de calor transferida pode ser estimada através da igualdade entre a perda de energia do fluido quente e a energia ganha pelo fluido frio. Os mais comuns são os trocadores de calor em que um fluido se encontra separado do outro por meio de uma parede, através da qual o calor se escoa, estes tipos de trocadores são chamados recuperadores. Para esta técnica utilizou-se um trocador de calor de tubos concêntricos isolado termicamente, e o fluido utilizado foi a água. Foi determinado o coeficiente global de troca térmica (U) para o trocador de calor de fluxo em corrente paralela e contracorrente e determinadas as efetividades respectivas, bem como as temperaturas teóricas de saída dos trocadores, uma vez que os valores obtidos foram comparados com os medidos experimentalmente. Este processo permitiu observar que o coeficiente global de troca térmica do trocador de calor em corrente parela foi de 322,7W/m2ºC, e do trocador contracorrente foi aproximadamente 10% menor. Em relação as temperaturas teóricas e experimentais de saída, estas apresentaram valores similares, com exceção da corrente quente do trocador de calor contracorrente, o qual apresentou maior variação. O trocador de fluxo paralelo apresentou uma efetividade de 0,35, e o trocador de fluxo contracorrente apresentou uma efetividade 30% maior.
Palavras-chave: Trocador de calor. Fluxo paralelo. Fluxo contracorrente. Efetividade. 
Abstract
The heat exchanger is an equipment that transfers heat from one fluid to another. The simplest type of heat exchanger consists of a vessel in which hot and cold fluid are mixed directly. In such a system, both fluids will acquire the same final temperature, and the amount of heat transferred can be estimated by the equality between the loss of energy of the hot fluid and the energy gained by the cold fluid. The most common are heat exchangers in which one fluid is separated from the other by means of a wall through which heat flows, these types of heat exchangers are called stoves. For this technique, a thermally insulated concentric tube heat exchanger was used, and the fluid used was water. The global coefficient of thermal exchange (U) was determined for the flow heat exchanger in parallel and countercurrent current and determined the respective effectiveness, as well as the theoretical temperatures of exits of the exchangers, since the obtained values ​​were compared with the measured ones experimentally. This process allowed to observe that the overall coefficient of thermal exchange of the heat exchanger in the parallel current was 322,7W/m2ºC, and the countercurrent was approximately 10% smaller. In relation to the theoretical and experimental temperatures of exit, these presented similar values, except for the hot current of the countercurrent heat exchanger, which presented greater variation.
Key-words: 
Heat exchanger. Parallel flow. Countercurrent flow. Effectiveness.
1 Introdução
	Segundo BEJAN (1996), um trocador de calor ou permutador de calor é um dispositivo para transferência de calor eficiente de um meio para outro. Tem a finalidade de transferir calor de um fluido para o outro, encontrando-se estes a temperaturas diferentes. Os meios podem ser separados por uma parede sólida, tanto que eles nunca se misturam, ou podem estar em contato direto.
	De acordo com INCROPERA (2011), há três tipos básicos de trocadores de calor. São eles: coaxial (duplo tubo), casco e tubo e os compactos. Os trocadores de calor podem ser de diversos tipos, sendo os mais utilizados nas indústrias de alimentos os modelos de duplo tubo, superfície raspada, casco e tubos e de placas (TADINI, 2015). Nos trocadores mais simples, os fluidos quente e frio podem se mover no mesmo sentido ou em sentido contrário, em tubos concêntricos. O escoamento concorrente é definido quando os fluidos entram pela mesma extremidade e percorrem o tubo paralelamente. Já no modo concorrente, os fluidos entram por diferentes extremidades e percorrem o tubo em direções opostas (INCROPERA, 2011). 
	Existem três formas unitárias de ocorrência da transferência de calor: condução, convecção ou radiação. A condução é basicamente o processo em que a energia térmica passa de um corpo para o outro através de partículas do meio que os separa. A convecção é o processo de troca da calor resultante da movimentação de um fluido, conforme foi definido por Lienhard IV e Lienhard V, 2006. A radiação, por sua vez, é o processo de transmissão de calor através de ondas eletromagnéticas. 
A efetividade de um trocador de calor pode ser pensada estabelecendo-se uma troca térmica máxima, que poderia ser encontrada em um trocador contracorrente de tamanho infinito, sendo então a efetividade, definida como a razão da taxa de calor real em um trocador de calor e a máxima troca possível (INCROPERA, 2011).
	Os objetivos da prática consistiam em determinar o coeficiente global de troca térmica (U), comparar a efetividade dos trocadores concorrentes e contracorrente, bem como determinar as temperaturas teóricas de saída dos trocadores e comparar com os valores medidos experimentalmente.
2 Material e Métodos
Materiais
Para a realização do experimento, utilizou-se um trocador de calor de tubos concêntricos isolado termicamente e apresentado na Figura 1. 
Figura 1- Trocador de calor utilizado
Procedimento experimental
O trocador de calor utilizado para realizar o experimento possui termopares acoplados que fazem a averiguação das temperaturas de entrada e saída, e o fluido utilizado foi a água. Para o ajuste do modo concorrente e contracorrente, utilizou-se uma modificação nas válvulas de abertura de entrada e saída da água quente ou fria. Além da medição de temperatura (painel de controle), o equipamento também mede a vazão de cada fluido. 
Os valores de temperatura de entrada e saída dos fluidos, a vazão, o comprimento e diâmetro do trocador foram anotados para cálculos posteriores. 
Procedimento
 Para determinar a capacidade calorífica do trocador de calor foram utilizadas as equações abaixo, e o menor valor foi definido como Cmin e o maior como Cmáx.
						(1)
						(2)
							(3)
Os índices q e f se referem ao fluido quente e frio, respectivamente. 
Para determinar a quantidade de calor liberado, absorvido e perdido pelo sistema foram necessárias as equações:
				 (4)
				 (5)
			 (6)
 Para o cálculo do coeficiente global de troca térmica (U) é necessário conhecer a área de troca térmica e média logarítmica das temperaturas (MLDT).
						 (7)
					 (8)
 
				 	 (9)
Os índices E e S, se referem a entrada e saída do trocador, respectivamente. 
Para a determinação da efetividade do trocador de calor nos diferentes fluxos analisados, utilizou-se o método da efetividade – NUT, que é o número de unidades de transferência, um parâmetro adimensional utilizado na análise de trocadores de calor, apresentado na Equação 10. 
			
				 (10)
A efetividade, (, foi calculada para o sistema em modo concorrente (εcp) utilizando-se a Equação 12, e para o modo contracorrente (εcc), utilizou-se a Equação 11.
		
		 	 (11)
 		 
 (12)
	
Para o cálculo da variação das temperaturas, utilizou-se as Equações 13 e 14, onde o calor total utilizado para o cálculo, foi obtido através da Equação 15.(13)
 			 (14)
 (15)
Para o cálculo das temperaturas teóricas de saída, utilizou-se as Equações 16 e 17.
				 (16)
				 (17)
Resultados e Discussão
 	 A Tabela 1 apresenta os dados utilizados para o fluido e as dimensões do trocadores.
Tabela 1- Dados obtidos 
	Dado
	
	L (m) 
	1,3
	D (m)
	0,0391
	A(m²)
	0,319
	Cp H2O (KJ/KgK)
	4,185
	ρ H2O (Kg/m3)
	998
Fonte: INCROPERA, 2011 e aula prática.
 As temperaturas experimentais e as vazões são apresentadas na Tabela 2.
Tabela 2- Resultados obtidos no experimento.
	TROCADORES
	Entrada quente (Te,q) (°C)
	Saída quente (Ts,q) (°C)
	Entrada fria (Te,f) (°C)
	Saída fria (Ts,f)
 (°C)
	Vazão corrente quente (L/s) 
	Vazão corrente fria (L/s)
	CC 
	49
	38,3
	15,2
	22,1
	0,05
	0,1
	CP
	51,5
	39
	15,1
	22,3
	0,05
	0,1
	O calor cedido, recebido e perdido calculados para o trocador de calor, tanto em fluxo paralelo, quanto fluxo concorrente, estão apresentados na tabela 3.
Tabela 3 - Resultados obtidos no experimento.
	 q 
 cedido 
 (W) 
	q 
recebido (W)
	q perdido (W)
	
	
	CC 2229,6
	 2875,5
	 -645,9
	
	
	CP 2604,7
	 3000,6
	 - 395,9
	
	
Vale salientar que teoricamente o calor recebido não deveria ser maior do que o calor cedido, mas isto pode ser explicado devido a problemas no equipamento. Devido ao isolamento do trocador de calor, o mesmo não deveria apresentar perdas.
Os resultados calculados a partir das Equações 1 a 13 e dos dados são apresentados na Tabela 4.
Tabela 4 - Resultados obtidos
	TROCADOR DE CALOR
	 q (kW)
	MLDT
	 U
(W/m2C)
	NUT
	Ε
	CC
	2,22
	 23,93
	 291,9
	0,45
	0,50
	CP 
	2,60
	 25,28
	 322,7
	0,49
	0,35
O coeficiente global de troca térmica para o trocador de calor em fluxo paralelo foi maior do que o trocador em fluxo concorrente, apesar de que a efetividade do concorrente tenha sido maior. Este fato pode ser explicado, porque as temperaturas iniciais para os dois arranjos eram diferentes. O coeficiente global de transferência de calor (U) é definido em função da resistência térmica total à transferência de calor entre os dois fluidos. Com a utilização contínua dos trocadores, pode-se perceber incrustações, ferrugem ou disposição de partículas na parede, podendo alterar o U.
Pode-se observar que os valores de NUT para o modo contracorrente foram ligeiramente menores que quando operado em modo concorrente, mas para garantir que esta diferença é significativa seriam necessários experimentos posteriores.
De acordo com TADINI et al (2016), o arranjo contracorrente além de ser o mais utilizado, também é o arranjo onde obtém-se o maior potencial térmico possível, o que confirma então a obtenção de maiores valores de eficiência para o trocador em modo contracorrente.
Tabela 5 - Comparação entre temperaturas teóricas e experimentais
	
	TEÓRICAS
	EXPERIMENTAIS
	TROCADOR
	Tf (° C)
	 Tq(° C)
	 Tf (° C)
	 Tq(° C)
	CC
	23,6
	32,1
	22,1
	38,3
	CP
	21,4
	38,7
	22,3
	39
Primeiramente, comparou-se as temperaturas frias experimentais e teóricas, e pode-se observar que houve pouca diferença entre elas, necessitando-se de uma análise maior para saber se foram significativas ou não. Porém, ao observar-se os valores para as correntes teóricas e experimentais quentes, pode-se observar uma diferença de valores maior. É possível que haja imprecisão do termopar para temperaturas acima de 50 °C. Um fator que pode explicar também esta diferença significativa nas temperaturas de saída teóricas e experimentais, é pelos erros obtidos ao realizar os cálculos do calor cedido, recebido e perdido, devido a falhas no equipamento.
4 Conclusão
 Em suma, o trocador de fluxo paralelo apresentou uma efetividade de 0,35, e o trocador de fluxo contracorrente apresentou uma efetividade 30% maior; As correntes frias experimentais e teóricas apresentaram valores próximos de temperatura de saída, porém, as correntes quentes apresentaram uma maior variação; O Coeficiente global de troca térmica (U) da corrente paralela foi de 322,7 W/m².°C, e do trocador contracorrente foi aproximadamente 10% menor.
5 Refências Bibliográficas
Livro:
LIENHARD IV e LIENHARD V. A Heat Transfer Textbook. 3rd edition. Phlogiston Press, 2006;
BEJAN, Adrian. Transferência de Calor. Edgard Blücher Ltda, São Paulo, 1996.
INCROPERA, P. F.; DEWITT, P. D.; Fundamentos de Transferência de calor e de massa; 4ª Ed. Livros Técnicos e Científicos; 1980;
TADINI, C. C. ; TELIS, Vania R N ; MEIRELLES, Antonio José de Almeida ; Pessoa Filho, P. A. . Operações Unitárias na Indústria de Alimentos. 1. ed. RIO DE JANEIRO: LTC, 2015. v. 2. 1547 p.
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