Trocador de calor Relatorio prática 2 2017 2

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO 
CENTRO DE ENGENHARIAS 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E 
TECNOLOGIA 
LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUIÍMICA II 
 
 
 
 
 
 
 
 
TROCADOR DE CALOR 
 
 
INTEGRANTES DA BANCADA: 
Ana Paula Brito de Almeida 
Ana Sâmula Bezerra da Silva 
Cintia Mara de Souza 
Geronillane Valentim 
Wander Luis Belmino Holanda Regis 
 
 
 
 
 
 
 
Mossoró, RN 
2017 
 
 
SUMÁRIO 
 
1. INTRODUÇÃO.....................................................................................................................3 
2. OBJETIVOS..........................................................................................................................4 
2.1 OBJETIVO GERAL.............................................................................................................4 
2.2 OBJETIVO ESPECÍFICO....................................................................................................4 
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.......................................................................................4 
3.1 CLASSIFICAÇÃO DOS TROCADORES DE CALOR.....................................................4 
3.1.1 Classificação pelo processo de transferência de calor..................................................4 
3.1.2 Classificação de acordo com o tipo de construção........................................................4 
3.1.3 Classificação segundo a disposição das correntes.........................................................4 
4. MATERIAIS E MÉTODOS................................................................................................5 
4.1 MATERIAIS.........................................................................................................................5 
4.2 METODOLOGIA.................................................................................................................5 
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES........................................................................................5 
5.1 ESCOAMENTO EM PARALELO......................................................................................5 
5.2 ESCOAMENTO EM CONTRACORRENTE......................................................................7 
5.3 MEMÓRIA DE CÁLCULO.................................................................................................9 
5.3.1 Equações matemáticas utilizadas...................................................................................9 
6. CONCLUSÃO.....................................................................................................................11 
7. BIBLIOGRAFIA.................................................................................................................11 
 
 
 
 
3 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
Trocador de calor é o equipamento utilizado para implementar o processo da troca 
térmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas e separados por uma parede sólida. É 
um processo comum em muitas aplicações da Engenharia, sendo uma das operações unitárias 
mais importantes. 
Pode-se utilizá-lo no aquecimento e resfriamento de ambientes, no condicionamento 
de ar, na produção de energia, na recuperação de calor e no processo químico. Como 
exemplos de aplicações mais comuns, temos: Aquecedores, resfriadores, condensadores, 
evaporadores, torres de refrigeração, caldeiras e outros. Podem ser classificados de diversas 
maneiras: Quanto ao modo de troca de calor; quanto ao número de fluidos; tipo de construção, 
etc. 
 
 
4 
 
2. OBJETIVO 
2.1 OBJETIVO GERAL 
 
 Analisar a influência do tipo de escoamento entre dois fluidos que trocam calor 
entre si. 
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 
 
 Determinar a taxa de transferência de calor 
 Determinar o coeficiente global de transferência de calor 
 
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 
3.1 CLASSIFICAÇÃO DOS TROCADORES DE CALOR 
3.1.1 Classificação pelo processo de transferência de calor 
 Os trocadores de calor podem ser categorizados como de contato direto e de contato 
indireto. No primeiro a transferência de calor ocorre entre dois fluidos imiscíveis, como um 
gás e um líquido, que entram em contato direto. Podemos citar como exemplos típicos de 
trocadores por contato direto as torres de resfriamento, os condensadores com nebulização 
parar vapor de água e outros vapores etc. 
 Quando se trata de trocadores de calor de contato indireto, como é o caso dos 
radiadores de automóveis, os fluidos quente e frio encontram-se separados por uma parede 
impermeável. 
3.1.2 Classificação de acordo com o tipo de construção 
 De acordo com suas características construtivas os trocadores de calor podem ser 
classificados em vários tipos como, por exemplo: tubulares, de tubo aletado, de placa, de 
placa aletada, regenerativos etc. 
3.1.3 Classificação segundo a disposição das correntes 
 Existem inúmeras possibilidades para a disposição do escoamento nos trocadores de 
calor. Podemos citar as correntes paralelas, a contracorrente e as correntes cruzadas. Nas 
correntes paralelas os fluidos quente e frio entram na mesma extremidade do trocador, fluem 
na mesma direção, e deixam juntos a outra extremidade. Na contracorrente os fluidos entram 
5 
 
em extremidades opostas do trocador de calor e fluem em direções opostas. Nas correntes 
cruzadas os dois fluidos fluem perpendicularmente um ao outro. O escoamento nessa última 
classificação pode ser misturado ou não misturado. 
 
4. MATERIAIS E MÉTODOS 
4.1 MATERIAIS 
Os materiais utilizados foram: 
 Proveta 2L 
 Termômetro 
 Cronômetro 
 Béquer 
 
4.2 METODOLOGIA 
Primeiramente, com auxílio de um termômetro, medimos a temperatura da água 
proveniente da torneira que seria a entrada do nosso fluido frio. Após isso, encontramos a 
temperatura de entrada do fluido quente. Ao conectar as correntes de entrada no trocador, 
esperamos por 10 segundos e calculamos a temperatura de saída do fluido quente. Ao mesmo 
passo, anotamos, com a ajuda de uma proveta, o volume de líquido escoado, para 
determinarmos posteriormente a vazão. Ambos os processos de vazão em corrente paralela e 
contracorrente foram feitos em triplicata. 
 
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO 
 Como sabemos, os trocadores de calor têm como função propiciar a 
transferência de calor de um fluido para o outro, estando estes a temperaturas diferentes. No 
experimento realizado efetuamos medidas de temperaturas para os dois tipos de escoamento 
(paralelo e contracorrente). 
5.1 ESCOAMENTO EM PARALELO 
 
Segue abaixo a Tabela 1 com os valores experimentais de entrada e saída dos fluidos 
quente e frio em escoamento paralelo. Para obtenção do cálculo do valor da temperatura de 
6 
 
saída do fluido quente, são necessários os valores das vazões mássicas dos fluidos quente e 
frio, nos quais também podemos observar na Tabela 1. 
Tabela 1 - Dados do trocador de calor operando em corrente paralela. 
 Análise 1 Análise 2 Análise 3 
Tf,e [ᵒC] 32,9 32,9 32,9 
Tq,e [ᵒC] 50 50 50 
Tf,s [ᵒC] 41 41 41 
t [s] 10 10 10 
V [mL] 50 49 49 
Q [mL/s] 5 4,9 4,9 
Fonte: Autoria própria (2017). 
Obteve-se a partir dos dados analisados na Tabela 1 a média dos dados para serem 
utilizados nas equações. Como descrito na Tabela 2. 
 
Tabela 2 - Valores Médios (corrente paralela). 
Tf,e [ᵒC] Tq,e [ᵒC] Tf,s [ᵒC] Q [mL/s] 
32,9 50 41 4,93 
Fonte: Autoria própria (2017). 
 
Os cálculos realizados para determinar a temperatura de saída do fluido quente estão 
anexados na memória de cálculo. 
 
Como estamos analisando o escoamento em paralelo, temos o seguinte diagrama:
Fonte: Autoria própria (2017). 
 
50 °C 
32,9 °C 
49,8 °C 
41 °C 
7 
 
A partir do diagrama, podemos calcular o ∆𝑇𝑚 (Anexado em memória de cálculo), e 
partir daí calcular o valor do coeficiente global de transferência de calor (U) para esse tipo de 
escoamento. 
Obtivemos então, para escoamento em paralelo, U = 535 
𝑊
𝑚2°𝐶
 
Com as temperaturas obtidas, traçamos a curva Comprimento versus Temperatura. 
Gráfico 1: Comprimento do tubo X temperatura do fluido 
 
Fonte: Autoria própria (2017) 
 
5.2 ESCOAMENTO EM CONTRACORRENTE 
 
Da mesma forma, podemos fazer os cálculos dos valores experimentais de entrada e 
saída dos fluidos quente e frio em escoamento contracorrente. Segue na Tabela 3 os valores 
calculados (cálculos em anexo). 
 
Tabela 3 - Dados do trocador de calor operando em contracorrente. 
 Análise 1 Análise 2 Análise 3 
Tf,e [ᵒC] 32,9 32,9 32,9 
Tq,e [ᵒC] 50 50 50 
Tf,s [ᵒC] 42,2 42,2 42,2 
t [s] 10 10 10 
V [mL] 48 47 47 
Q [mL/s] 4,8 4,7 4,7 
Fonte: Autoria própria (2017). 
0
10
20
30
40
50
60
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Te
m
p
e
ra
tu
ra
 d
o
 f
lu
id
o
Comprimento do tubo
Comprimento X Temperatura
Fluido frio
Fluido quente
8 
 
Obteve-se a partir dos dados analisados na Tabela 3 a média dos dados para serem 
utilizados nas equações, como descrito na Tabela 4. 
 
Tabela 4 - Valores Médios (contracorrente). 
Tf,e [ᵒC] Tq,e [ᵒC] Tf,s [ᵒC] Q [mL/s] 
32,9 50 42,2 4,73 
Fonte: Autoria própria (2017). 
 
Os cálculos realizados para determinar a temperatura de saída do fluido quente estão 
anexados na memória de cálculo. 
Como estamos analisando o escoamento em paralelo, temos o seguinte diagrama: 
 
 
 
 
 
 
 Fonte: Autoria própria (2017). 
 
 
A partir do diagrama, podemos calcular o ∆𝑇𝑚 (Anexado em memória de cálculo), e 
partir daí calcular o valor do coeficiente global de transferência de calor (U) para esse tipo de 
escoamento. 
Obtivemos então, para escoamento em paralelo, U = 624 
𝑊
𝑚2°𝐶
 
Com as temperaturas obtidas, traçamos a curva Comprimento versus Temperatura. 
 
50 °C 
42,2 °C 
48,75 °C 
32,9 °C 
 
9 
 
Gráfico 2: Comprimento do tubo X temperatura do fluido 
 
Fonte: Autoria própria (2017) 
 
5.3 MEMÓRIA DE CÁLCULO 
 
5.3.1 Equações matemáticas utilizadas 
 
 Paralelo 
 
𝐶𝑝,𝑞 = 𝐶𝑝,𝑓 = 4,176 J/g. K 
 
𝑞𝑞 = �̇�𝑞𝐶𝑝,𝑞(𝑇𝑞,𝑒 − 𝑇𝑞,𝑠) e 𝑞𝑓 = �̇�𝑓𝐶𝑝,𝑓(𝑇𝑓,𝑠 − 𝑇𝑓,𝑒) 
𝑞𝑓 = 4,93 
𝑔
𝑠
 × 4,176 
𝐽
𝑔. 𝐾
 × (314,15 − 306,05) 𝐾 
𝑞𝑓 = 173,96 𝑊 
𝑞𝑓 = 𝑞𝑞 
200 
𝑔
𝑠
 × 4,176 
𝐽
𝑔. 𝐾
 × (323,15 − 𝑇𝑞,𝑠) 𝐾 = 173,96 𝑊 
𝑻𝒒,𝒔 = 𝟑𝟐𝟐, 𝟖 𝑲 𝒐𝒖 𝟒𝟗, 𝟖 º𝑪 
0
10
20
30
40
50
60
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Te
m
p
e
ra
tu
ra
 d
o
 f
lu
id
o
Comprimento do tubo
Comprimento X Temperatura
Fluido frio
Fluido quente
10 
 
Q = 𝑈𝑠𝐴𝑡∆𝑇𝑚𝑙 
∆𝑇1 = 50 − 32,9 = 17,1 °𝐶 
∆𝑇2 = 49,8 − 41 = 8,8 °𝐶 
∆𝑇𝑚𝑙 =
∆𝑇1 − ∆𝑇2
𝑙𝑛
∆𝑇1
∆𝑇2
 
∆𝑇𝑚𝑙 =
17,1 − 8,8
𝑙𝑛
17,1
8,8
 
∆𝑇𝑚𝑙 = 12,27 °C 
𝐴 = 2𝜋𝑟𝐿 
𝐴 = 2𝜋 0,049𝑚 x 0,86𝑚 = 0,0265𝑚2 
 
 
𝑈 = 
𝑄
𝐴∆𝑇𝑚𝑙
 
𝑈 = 
173,96 𝑊
0,0265𝑚2 × 12,27 °𝐶
 
𝑈 = 535 
𝑊
𝑚². °𝐶
 
 
 Contra Corrente 
 
𝐶𝑝,𝑞 = 𝐶𝑝,𝑓 = 4,176 J/g. K 
 
𝑞𝑞 = �̇�𝑞𝐶𝑝,𝑞(𝑇𝑞,𝑒 − 𝑇𝑞,𝑠) e 𝑞𝑓 = �̇�𝑓𝐶𝑝,𝑓(𝑇𝑓,𝑠 − 𝑇𝑓,𝑒) 
𝑞𝑓 = 4,73 
𝑔
𝑠
 × 4,176 
𝐽
𝑔. 𝐾
 × (315,35 − 306,05) 𝐾 
𝑞𝑓 = 181,9 𝑊 
𝑞𝑓 = 𝑞𝑞 
200 
𝑔
𝑠
 × 4,176 
𝐽
𝑔. 𝐾
 × (322,15 − 𝑇𝑞,𝑠) 𝐾 = 181,9 𝑊 
𝑻𝒒,𝒔 = 𝟑𝟐𝟏, 𝟗 𝑲 𝒐𝒖 𝟒𝟖, 𝟕𝟓 º𝑪 
11 
 
Q = 𝑈𝑠𝐴𝑡∆𝑇𝑚𝑙 
∆𝑇1 = 50 − 32,9 = 17,1 °𝐶 
∆𝑇2 = 48.75 − 42,2 = 6,55 °𝐶 
∆𝑇𝑚𝑙 =
∆𝑇1 − ∆𝑇2
𝑙𝑛
∆𝑇1
∆𝑇2
 
∆𝑇𝑚𝑙 =
17,1 − 6,55
𝑙𝑛
17,1
6,55
 
∆𝑇𝑚𝑙 = 11 °C 
𝐴 = 2𝜋𝑟𝐿 
𝐴 = 2𝜋 0,049𝑚 x 0,86𝑚 = 0,0265𝑚2 
𝑈 = 
𝑄
𝐴∆𝑇𝑚𝑙
 
𝑈 = 
181,9 𝑊
0,0265𝑚2 × 11 °𝐶
 
𝑈 = 624 
𝑊
𝑚². °𝐶
 
 
6. CONCLUSÃO 
 
Trocadores de calor são muito utilizados na indústria química, principalmente no setor 
de alimentos, uma vez que a temperatura é um fator essencial para a obtenção de um produto 
bom e de qualidade. Existem inúmeros tipos de trocadores de calor, sendo o casco e tubo um 
dos mais requisitados, uma vez que são de fácil manutenção e de ótima eficiência. 
Teoricamente os trocadores de calor casco e tubo em regime contracorrente são os mais 
usados na indústria, o que se mostrou evidente a partir dos cálculos feitos anteriormente, 
concluindo por fim que o regime contracorrente assumiu-se como mais eficiente em relação 
ao regime em paralelo. 
7. BIBLIOGRAFIA 
 
Equipamentos de Troca Térmica. Disponível em: 
<http://essel.com.br/cursos/material/03/CAP2.pdf>. Acesso em: 18 dez. 2017.