Dimensionamento trocador de calor

Prévia do material em texto

INSTITUTO LATINO-AMERICANO DE 
TECNOLOGIA, INFRAESTRUTURA E 
TERRITÓRIO (ILATIT) 
 
ENGENHARIA DE ENERGIAS 
 
 
 
 
 
 
FENÔMENOS DE TRANSPORTE II: 
Estudo e Dimensionamento de um Trocador de Calor de Casco e Tubo Para um Caso em 
Engenharia Química 
 
 
Autor: Camila Bonatto de Melo 
Contato: camila.melo@aluno.unila.edu.br 
 
 
 
 
______________________________________________________________________________ 
Assinatura 
 
 
 
Foz do Iguaçu 
1 de Novembro, 2017.
 
 
 
 
 
 
 
Camila Bonatto de Melo 
 
 
 
 
 
FENÔMENOS DE TRANSPORTE II: 
Estudo e Dimensionamento de um Trocador de Calor de Casco e Tubo Para um Caso em 
Engenharia Química 
 
 
 
 
Trabalho apresentado na disciplina de 
Fenômenos de Transporte II do Curso de 
Engenharia de Energia, como requisito parcial 
para a aprovação do semestre. 
 
 Prof.: Dr. Alexandre Alves 
 
 
 
 
 
 
 
 
Foz do Iguaçu 
1 de Novembro, 2017. 
 
 
 
 
RESUMO 
Os trocadores de calor são equipamentos amplamente utilizados em diversos processos 
industriais. Suas diferentes aplicações geram imensas quantidades de desenho e tipos de 
trocadores. No seguinte trabalho se apresenta uma introdução teórica sobre os trocadores de 
calor, aonde se contextualiza os tipos disponíveis de trocadores e seus princípios funcionais. Com 
um enfoque mais aprofundado sobre os trocadores de calor do tipo casco e tubo, pois este tipo de 
trocador é o mais usado e conhecido, principalmente devido a sua versatilidade, foi desenvolvido 
um dimensionamento de um trocador deste tipo para uma aplicação na indústria alimentícia. Para 
este dimensionamento foram usadas as normas do TEMA. 
 
Palavras-chaves: trocador de calor, dimensionamento, casco e tubo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ABSTRACT 
Heat exchangers are widely used equipment in various industrial processes. Their 
different applications generate immense amounts of design and types of exchangers. In the 
following work is presented a theoretical introduction on the heat exchangers, where 
contextualizes the available types of exchanger and its functional principles. With a more in-
depth focus on hull and tube type heat exchangers, since this type of exchanger is the most 
widely used and known, mainly due to its versatility, a design of such an exchanger was 
developed for an application in the food industry For this reasoning, the TEMA norms were used. 
 
Keywords: heat exchanger, sizing, hull and tube. 
 
 
 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
Figura 1 - Trocador de calor do tipo tubular. ............................................................. .......5 
Figura 2 - Trocador de calor de tubo duplo. ......................................................... ...........6 
Figura 3 - Corte transversal do trocador de calor do tipo casco e tubo..............................8 
Figura 4 - Trocador de calor do tipo placa.. ..................................................................... 9 
Figura 5 - Trocador de calor de placa espiral. ............................................................... 10 
Figura 6 - Trocador de calor tipo placa de bobina. .......................................................... 11 
Figura 7 – Pré-aquecedor de ar Ljungstrom ................................................................... 13 
Figura 8 - Geometria das aletas onduladas para trocador de calor de placa aletada. .... 14 
Figura 9 - Disposição do fluxo em paralelo em um trocador de calor............................ 15 
Figura 10 - Disposição de fluxo cruzado em um trocador de calor ................................ 15 
Figura 11 - Disposição do fluxo contracorrente de um trocador de calor ...................... 16 
Figura 12 - Desenho esquemático de algumas configurações de superfícies aletadas. .. 21 
Figura 13- Esquema básico de um trocador tipo casco e tubo. ...................................... 23 
Figura 14 - Tubos de trocador de calor de tipo casco ..................................................... 24 
Figura 15 - Processo de fixação de tubos ....................................................................... 25 
Figura 16 - Configurações de cabeçotes. ....................................................................... 28 
Figura 17 - Segmento de chicana transversal. ................................................................ 29 
Figura 18 - Esquema chicana tipo disco ......................................................................... 29 
Figura 19 - Chicanas de orifícios .................................................................................... 30 
Figura 20 - Modelos de defletor oval. ........................................................................... 31 
Figura 21 - Modelo de defletor ondulado ....................................................................... 31 
Figura 22 - Componentes do trocador casco e tubo segundo TEMA ............................. 36 
Figura 23 - Disposição dos tubos no trocador ................................................................ 38 
 
 
 
 
 
LISTAS DE TABELAS 
Tabela 1- Dados iniciais para o dimensionamento do trocador de calor. ....................... 32 
Tabela 2 - Definição dos estados termodinâmicos para Água - fluido quente. .............. 32 
Tabela 3 - Definição dos estados termodinâmicos para Água - fluido frio. .................. 32 
Tabela 4 - Propriedades termodinâmicas dos fluidos de trabalho. ................................. 33 
 
 
 
 
 
LISTAS DE ABREVIATURAS E SIGLAS 
Te Temperatura de entrada 
Ts Temperatura de saída 
P0 Pressão inicial 
𝛥�P Diferença de pressão 
𝑄�𝑐� Taxa de transferência de calor no casco 
𝑚�𝑓�̇ Vazão mássica da água fria 
𝑃� projeto Pressão do projeto 
𝑃� operação Pressão de operação 
𝑇� projeto Temperatura do projeto 
𝛥�𝑇�𝑎� Variação da temperatura de entrada 
∆𝑇𝑏 Variação da temperatura de saída 
MLDT Média logarítmica de diferença de temperatura 
P Coeficiente de efetividade 
R Relação de capacidades térmicas 
F Fator de correção 
𝑇𝑡𝑢𝑏𝑜 Temperatura no tubo 
𝑇𝑐𝑎𝑠𝑐𝑜 Temperatura no casco 
D tubo, min Diâmetro do tubo mínimo 
D casco, min Diâmetro do casco mínimo 
𝜌𝑐 Massa especifica da água quente 
𝜌𝑓 Massa especifica da água fria 
𝑉𝑐𝑎𝑠𝑐𝑜,𝑚𝑎𝑥 Volume do casco máximo 
 
 
 
 
∅𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 Diâmetro interno dos tubos 
∅𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 Diâmetro externo dos tubos 
U Coeficiente global de transferência de calor 
Atc Área do trocador de calor 
N Numero de tubos 
L Comprimento dos tubos 
e Espessura dos tubos 
∅𝑐𝑎𝑠𝑐𝑜 Diâmetro do casco 
Nchicanas Numero de chicanas 
hchicanas Altura das chicanas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 1 
2 OBEJTIVO ............................................................................................................................. 2 
2.1 OBJETIVO PRINCIPAL .................................................................................................. 2 
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................ 2 
3 DEFINIÇÃO DO TROCADOR DE CALOR ...................................................................... 3 
4 CLASSIFICAÇÃO DOS TROCADORESDE CALOR .................................................... 4 
4.1 CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO O PROCESSO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR .. 4 
4.2 CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM O TIPO DE CONSTRUÇÃO .......................... 5 
4.2.1 Trocadores tubulares .................................................................................................... 5 
4.2.2 Trocadores de calor do Tipo Placas ............................................................................. 9 
4.2.3 Trocadores de superfície estendida............................................................................. 14 
4.3 COMPACTAÇÃO DE SUPERFÍCIE ............................................................................ 14 
4.4 CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM A DISPOSIÇÃO DAS CORRENTES .......... 15 
4.5 CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO O MECANISMO DE TRANSFERÊNCIA DE CALO 17 
5 CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE TROCADORES DE CALOR ............................... 19 
5.1 CRITÉRIOS BASICOS DE SELEÇÃO GERAL DE TROCADOR DE CALOR .......... 19 
5.1.1 Materiais de construção .............................................................................................. 20 
5.1.2 Temperatura de operação ........................................................................................... 20 
5.1.3 Pressão de trabalho .................................................................................................... 20 
5.1.4 Caudal ......................................................................................................................... 21 
5.1.5 Disposição do fluido.................................................................................................... 21 
5.1.6 Eficiência térmica ....................................................................................................... 21 
5.1.7 Perda de carga ............................................................................................................ 22 
5.1.8 Tipo de fases dos fluidos ............................................................................................. 23 
5.1.9 Mantimento, inspeção e limpeza ................................................................................. 23 
5.1.10 Fatores econômicos ................................................................................................. 23 
5.1.11 Técnicas de fabricação ............................................................................................ 23 
5.2 CRITERIOS BÁSICOS DE SELEÇÃO DE TROCADORES DE CALOR ................... 24 
 
 
 
 
5.2.1 Componentes de um trocador de calor de casco e tubo ............................................. 24 
6 DIMENSIONAMENTO DO TROCADO .......................................................................... 34 
6.1 DADOS INICIAIS .......................................................................................................... 34 
6.2 DEFINIÇÃO DOS ESTADOS TERMODINÂMICOS .................................................. 35 
6.3 PROPRIEDADES DOS FLUIDOS DE TRABALHO .................................................... 36 
6.4 LOCALIZAÇÃO DOS FLUIDOS DE TRABALHO ..................................................... 36 
6.5 BALANÇO DE CALOR E MASSA ............................................................................... 36 
6.6 CONSIDERAÇÕES PARA PRESSÃO E TEMPERATURA DO PROJETO ............... 37 
6.7 CÁLCULO DA TEMPERATURA MÉDIA ................................................................... 37 
6.8 MÉDIA LOGARÍTMICA DE DIFERENÇA DE TEMPERATURA ............................. 37 
6.9 DETERMINAÇÃO DO FATOR DE CORREÇÃO F .................................................... 38 
6.10 DETERMINAÇÃO DO TIPO DE TROCADOR DE CALOR ....................................... 38 
6.10.1 Tipo de cabeçote frontal .......................................................................................... 38 
6.10.2 Tipo de casco ........................................................................................................... 38 
6.10.3 Tipo de cabeçote posterior ...................................................................................... 39 
6.10.4 Conclusão da determinação do tipo de trocador .................................................... 39 
6.11 DIMENSIONAMENTOS DOS BOCAIS ...................................................................... 40 
6.11.1 Diâmetro mínimo dos tubos ..................................................................................... 40 
6.11.2 Diâmetro mínimo do casco ...................................................................................... 40 
6.11.3 Dimensionamentos dos tubos .................................................................................. 40 
6.11.4 Diâmetro e espessura .............................................................................................. 40 
6.11.5 Comprimento ........................................................................................................... 40 
6.11.6 Disposição dos tubos ............................................................................................... 40 
6.12 ESTIMATIVAS DO COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 
DA ÁREA DE TRANSFERÊNCIA .......................................................................................... 41 
6.12.1 Estimativa inicial do coeficiente global de trocador de calor ................................ 41 
6.12.2 Calculo da área estimada ........................................................................................ 41 
6.12.3 Determinação do número de tubos .......................................................................... 41 
6.13 DIMENSIONAMENTO DO CASCO ............................................................................ 42 
6.14 DIMENSIONAMENTO DAS CHICANAS ................................................................... 42 
6.14.1 Espaçamento ............................................................................................................ 42 
 
 
 
 
6.14.2 Número de chicanas ................................................................................................ 43 
6.14.3 Altura das chicanas ................................................................................................. 43 
7 CONCLUSÃO ...................................................................................................................... 44 
8 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................. 45 
 
 
 
 
1 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
Nas situações cotidianas sempre é necessário transferir calor de um fluido quente para um 
fluido frio por diferentes motivos. Um exemplo, para a economia de energia que reduz os custos 
operacionais. Também pode ser para levar um fluido a uma temperatura de otimização, para um 
processamento posterior ou para alcançar condições de segurança necessárias no caso de 
transporte e/ou armazenamento. Para fazer essa transferência de calor existe uma ampla 
variedade de equipamentos denominados trocadores de calor. 
Existem várias formas de classificar os trocadores de calor, dependendo da posição do 
fluxo, da construção e geometria do equipamento, em relação ao fluido utilizado, etc. Estas 
classificações e algumas outras serão tratadas de maneira concreta nos itens posteriores. 
 São encontrados vários tipos de trocadores de calor no mercado e para definir qual tipo de 
trocador se utilizará em relação ao tipo de aplicação é necessário saber que critérios vai se levar 
em conta na hora de definir os parâmetros do projeto, uma vez definido os parâmetros que serão 
utilizados, será necessário realizar os cálculos pertinentes que proporcionara uma ideia dos 
parâmetros que se obterá utilizando os critérios selecionados. 
 O trocador de calormais usado, ou seja, empregado em processos industriais é do tipo 
casco e tubo, na qual este trabalho se dá ênfase, fazendo um estudo minimalista de todas suas 
classificações. Resumidamente, este trocador, consiste de um casco cilíndrico quem contem tubos 
em seu interior. Existe dois tipos de fluido de trabalho, um que escoa pelo casco e outro pelos 
tubos. A troca térmica acontece através das paredes dos tubos. 
 Neste presente trabalho foi previamente dimensionado um trocador de calor do tipo casco 
e tubo para o uso na indústria alimentícia, no caso, para o resfriamento de maionese em seu 
processo de produção. Durante o processo de produção da maionese sua temperatura é elevada de 
100 a 170 °C para a eliminação de microrganismos, a diminuição desta temperatura ocorre por 
meio de trocadores de calor, com está diminuição de temperatura ocorre o aumento da 
viscosidade do fluido, com isso a maionese adquire sua forma de fase típica do estado de repouso 
em condições atmosféricas padrão. 
 
 
2 
 
2 OBEJTIVO 
 
2.1 OBJETIVO PRINCIPAL 
 Realizar o dimensionamento de um trocador do tipo casco e tubo para a aplicação no 
processo de resfriamento de maionese em uma indústria (Nestle). 
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 
 Especificação dos principais tipos de trocadores de calor disponíveis na indústria; 
 Diferenciação dos trocadores de calor; 
 Revisão bibliográfica dos componentes do trocador de calor; 
 Apresentação dos fenômenos envolvidos no processo de transferência de calor; 
 Métodos de eleição do trocador de calor. 
 
 
 
 
3 
 
3 DEFINIÇÃO DO TROCADOR DE CALOR 
 
 
Um trocador de calor é um equipamento no qual realiza transferência de energia na forma 
de calor entre dois fluidos ou mais, na qual pode ter ou não mudança de fase. Os fluidos estão 
separados por uma barreira sólida, o que evita contato entre eles, além disso, se encontram em 
diferentes temperaturas, o que possibilita a existência de um gradiente de temperatura. No 
processo de transferência de calor, o fluido que está em maior temperatura transfere energia 
térmica para o fluido em menor temperatura, com o objetivo de esquentar ou esfriar os fluidos 
envolvidos no processo; geralmente envolve os efeitos de convecção de cada fluido, que seria 
quando ambos se encontram em movimento, e os efeitos da condução através da barreira sólida 
que os separa. 
 
 
 
4 
 
4 CLASSIFICAÇÃO DOS TROCADORES DE CALOR 
 
Devido a vastas aplicações e utilidades dos trocadores de calor, existe uma classificação 
de acordo com o objetivo que se deseja obter no uso do mesmo. Segundo, Fraas e Ozisik (1965) e 
Thulukkanam (2013), existem diversos tamanhos, disposição do fluxo e configurações de 
trocadores de calor, por isto são usados critérios de classificação a seguir: 
I) Processo de transferência de calor; 
II) Tipo de construção; 
III) Compactação de superfície; 
IV) Disposição das correntes; 
V) Mecanismo de transferência de calor. 
Após a análise sobre cada classificação e possível saber as características básicas de cada 
tipo de trocador de calor, diferença entre eles, assim como as condições de trabalho que eles 
podem ser usados. Por isso, se considera o primeiro, a saber, para a seleção correta do 
equipamento para o uso na aplicação que se deseja e assim satisfazer as necessidades específicas 
do processo. 
 
4.1 CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO O PROCESSO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 
 
Os trocadores podem ser classificados como de contato direto ou contato indireto. Nos de 
contato direto, os fluidos estão em contato direto entre si, ou seja, não são separados por nenhum 
tipo de barreira ou parede. Uma característica desse tipo de trocador é que os fluidos de contato 
serão insolúveis e não podem reagir com os outros. Portanto, não podem ser utilizados em um 
sistema quem que ambos os fluidos estejam na fase gasosa (LEVENSPIEL, 2004, p.238). 
Nos trocadores de calor por contato indireto, como os radiadores de automóveis (Figura 
1), o fluido quente e frio estão separados por uma parede impermeável e recebem o nome de 
trocadores de superfície. Trocadores de calor tubular, placas e superfície estendida são exemplos 
 
 
5 
 
de indiretos. Para o caso indireto, quando o fluxo de calor intermitente, ou seja, quando o calor se 
armazena primeiro na superfície do equipamento e logo se transmite o fluido frio, se denomina 
trocadores do tipo regenerador. A intermitência do fluxo de calor é possível devido tanto as 
correntes quentes como as frias vão se alterando. 
 
4.2 CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM O TIPO DE CONSTRUÇÃO 
 
Segundo Thulukkanam (2013), a classificação de trocador de calor segundo o tipo de 
construção está dada por quatro grandes divisões: 
 
I) Trocadores tubulares; 
II) Trocadores de placas; 
III) Trocadores regenerativos; 
IV) Trocadores de superfície estendida. 
 
4.2.1 Trocadores tubulares 
 
Basicamente são construídos de tubos circulares (Figura 1). A característica comum nestes 
tipos de trocadores é que o fluxo dos fluidos se dá através de superfícies tubulares, mas podem 
deferir quanto a quantidade de tubos, fluidos envolvidos no processo, tipo de superfície, etc. 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
 
Figura 1 – Trocador de calor do tipo tubular. 
 
 
 
 
 
Fonte: Thulukknam (2013) 
 
Os modelos de trocadores de calor tubulares mais encontrados na literatura são os 
seguintes: 
Tubular – tubo duplo: os trocadores de tubo duplo, constam de dois tubos concêntricos, 
geralmente dispostos em forma de U. A disposição do fluxo geralmente são contracorrente e de 
correntes paralelas. Segundo o tipo de aplicação, estes tipos de trocadores de calor podem ser 
conectados em série e em paralelo, além de que tem a vantagem de flexibilidade, já que quando 
necessário podem ser adicionados mais trocadores. Outra vantagem é que seu desenho é 
relativamente simples e suas peças são de baixo custo, devido a sua padronização. 
(THULUKKANAM, 2013, p.2) 
Dada a sua estrutura, seu uso habitual para realizar pequenas tarefas (menores de 300 m2), 
para processos que requerem alta pressão e altas temperaturas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
 
 
Figura 2 - Trocador de calor de tubo duplo. (a) esquema geral. (b): (i) tubo duplo com tubo 
interno; (ii) tubo duplo com tubo interior com aletas; (iii) tubo duplo com tubos internos e (iv) 
tubo duplo com tubos internos aletados. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Thulukknam (2013) 
 
Tubular – tipo casco e tubo: dos diversos tipos de trocadores de calor, este é o mais utilizado nas 
refinarias e plantas químicas. Mas de 90% dos trocadores de calor usados na indústria são do tipo 
casco e tubo. Isso se deve em geral por: 
a) Proporcionar fluxo de calores elevados em relação a seu peso e volume; 
b) Relativamente fácil de construir em uma grande variedade de tamanhos; 
c) É fácil de limpar e reparar; 
d) Versátil e pode ser desenhado para cumprir praticamente qualquer aplicação. 
Também chamados de trocador multitubulares, os trocadores de casca e tubo estão 
constituídos por múltiplos tubos de pequenos diâmetros, através dos quais escoa um dos fluidos, 
os que por sua vez estão envolvidos por uma carcaça cilíndrica disposta em forma paralela aos 
tubos, por meio da qual circula outro fluido. A transferência de calor ocorre por meio de 
convecção forçada através dos fluidos e por condução através das paredes dos tubos. 
 
 
8 
 
Os principais componentes de um modelo padrão de trocador de calor casco e tubo são: 
 Conjunto de tubos: conduzem a corrente do fluido que trocara calor com o fluido quepassa pelas chicanas; 
 Casco: estrutura que envolve todos os componentes do processo; 
 Cabeçote: proporciona a entrada e saída do fluido do lado dos tubos; 
 Chicanas: apoia os tubos, direcionam a corrente do fluido na direção dos tubos e 
aumentam a turbulência do fluido no casco. 
Como a grande variedade de equipamentos deste tipo de trocador, a escolha de cada uma 
delas depende da finalidade do processo de transferência de calor, na qual por sua vez depende 
dos fatores como: geometria, separação e quantidade de chicanas, quantidade de fluxo, exigência 
da perda de carga e sustentação dos tubos e a vibração produzida no processo. Na figura 3 é 
mostrado o corte transversal do trocador de calor do tipo casco e tubo com suas principais partes. 
 
Figura 3 - Corte transversal do trocador de calor do tipo casco e tubo. 
 
Fonte: Cengel e Ghajar (2012) 
 
 
 
 
9 
 
 
4.2.2 Trocadores de calor do Tipo Placas 
 
Estes tipos de trocador de calor são construídos de forma de placas finas, as quais têm 
diferentes formatos segundo a aplicação do processo. São utilizados para processos que não 
requerem altas pressões ou grandes gradientes de temperatura, pois devido a sua geometria, só 
são capazes de suportar temperaturas e pressões moderadas. Uma de suas vantagens principais é 
que seu desenho favorece a alta turbulência a velocidades do fluido relativamente baixo. Os 
desenhos usualmente encontrados na literatura são os seguintes: 
 I) Placa aletada conjunta; 
 II) Placa espiral; 
 III) Placa de bobina; 
Figura 4 - Trocador de calor do tipo placa. (a) Esquema detalhado da construção. (b) Vista 
superior das placas montadas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Thulukknam (2013) 
 
 
10 
 
 
4.2.2.1 Placa Aletada Conjunta 
 
Resumindo, o trocador de calor do tipo placa aletada estão formando uma série de placas 
de metal ondulado que estão em contato mutuo. Cada placa tem aberturas próprias, 
proporcionando as quatro portas para a entrada e a saída dos fluidos, que por sua vez, direcionam 
a passagem do fluxo pelas placas. 
 
4.2.2.2 Placa Espiral 
 
Os trocadores de calor do tipo placa espiral são formados enrolando duas placas largas e 
finas, deixando um canal que se mantêm de maneira uniforme e em dorme de espiral por meio de 
parafusos espaçadores soldados as tiras das placas antes de rodar, como mostrado na figura 5. 
 
Figura 5 - Trocador de calor de placa espiral. (a) Desenho de entrada e saída do fluido. (b) 
Esquema de enrolamento de placas finas. 
 
Fonte: Thulukknam (2013) 
 
 
 
11 
 
As aplicações mais usuais desde tipo de trocadores são: 
 Manuseio dos líquidos e tratamento mineral; 
 Fluidos extremamente viscos; 
 Fervura, condensação, aquecimento e resfriamento; 
 
4.2.2.3 Placa de Bobina 
 
Este tipo de trocadores apresenta diversas aplicações industriais, tais como produtos 
químicos, fibras, alimentos, pinturas, produtos farmacêuticos, indústria nuclear, tratamento de 
resíduos e outros. As principais partes do trocador são: 
 Superfície de alívio: sua superfície interior é utilizada como câmara transportadora de 
fluidos. Seu desenho contra de duas lâminas de diferente espessura, geralmente feitas de 
aço inoxidável e ligas de carbono. 
 Superfície estampada dupla: par de lâminas do mesmo material e espessura, mediante a 
qual os fluidos trocar calor por condução, igual à superfície de alívio são frequentemente 
feitas de aço inoxidável e ligas de carbono. 
Figura 6 - Trocador de calor tipo placa de bobina. 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Thulukkanam, 2013. 
 
 
12 
 
 
Segundo Thulukkanam (2013), estes tipos de trocadores são amplamente utilizados em 
processos de calefação e refrigeração, proporcionando uma ótima eficiência no processo de 
transferência de calor. O uso de trocadores de calor do tipo placa bobinado proporciona as 
seguintes vantagens: 
 Pode-se utilizar qualquer tipo de fluido, incluído vapores a elevadas temperaturas; 
 Temperatura, pressão e fluxo podem ser controlados com precisão; 
 Facilidade de limpeza e eliminação de impurezas; 
 Elevada eficiência, economia e flexibilidade. 
 
4.2.2.4 Trocadores regenerativos 
 
Os trocadores de calor regenerativos podem ser estáticos ou dinâmicos. O tipo estático 
não tem partes moveis e consiste em uma massa porosa através da qual passam alternadamente 
fluidos quentes e frios. Uma válvula alternadora regula o escoamento periódico dos dois fluidos. 
Durante o escoamento do fluido quente, o calor é transferido do fluido quente para o miolo do 
trocador regenerativo. Em seguida, o escoamento do fluido quente é interrompido, e inicia o 
escoamento do fluido frio. Durante a passagem do fluido frio, transfere calor do miolo para o 
fluido frio. Os regeneradores de tipo estático podem ser pouco compactos, para o uso em alta 
temperatura, como nos pré-aquecedores de ar, na fabricação de coque e nos tanques de fusão de 
vidro. Podem, porém, ser regeneradores compactos para uso em refrigeração, no motor Stirling, 
por exemplo. 
Nos regeneradores do tipo dinâmico, o miolo tem a forma de um tambor que gira em 
torno de um eixo de modo que uma parte qualquer passa periodicamente através da corrente 
quente e, em seguida, através da corrente fria. O calor armazenado no miolo durante o canto com 
o gás quente é transferido para o gás frio durante o contato com a corrente fria. O exemplo típico 
de regenerador rotativo é o pré-aquecedor regenerativo de ar Ljungstrom (figura 8). Os 
regeneradores rotativos podem operar em temperaturas até 870 ºC; miolos de cerâmicas são 
utilizados em temperaturas mais altas. Os regeneradores rotativos só são convenientes para a 
 
 
13 
 
troca de calor de gás para gás, pois somente com gases a capacidade calorífica do miolo, que 
transfere o calor, é muito maior do que a capacidade calorífica do gás escoante. Não é 
conveniente para a transferência de calor de líquido para líquido, pois a capacidade calorífica do 
miolo de transferência de calor é muito menos do que a capacidade calorífica do líquido. 
Uma vez que o miolo da transferência de calor gira, a temperatura dos gases e a da parede 
depende do espaço de tempo; como resultado, a análise de transferência de calor dos 
regeneradores é complexa, pois o fluxo periódico introduz diversas variáveis novas. Nos 
trocadores de calor conversacionais, estacionários, é suficiente definir as temperaturas de entrada 
e de saída, as vazões, os coeficientes de transferência de calor dos dois fluidos e as áreas 
superficiais dos dois lados do trocador. No trocador de calor rotativo, entretanto, é necessário 
também relacionar a capacidade calorífica do rotor com a capacidade calorífica das correntes dos 
fluidos, com as vazões dos fluidos e com a velocidade de rotação. 
Figura 7 - Pré – aquecedor de ar Ljungstrom 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Ozisik,1990 
 
 
 
 
14 
 
4.2.3 Trocadores de superfície estendida 
 
Nos trocadores de calor são usados gases ou também alguns líquidos, se o coeficiente de 
transferência de calor é bastante baixo, se requerer uma superfície de transferência de calor 
bastante grande para aumentar a taxa de transferência de calor. Este requisito é atendido por 
aletas aderidas a superfície primaria. A adição de aletas pode aumentar a superfície de 5 a 12 
vezes a área da superfície primaria em geral, dependendo do desenho. Os exemplos mais comuns 
de trocadores de calor de superfície estendida são: trocadores de tubo aletado e trocadores de 
placas aletadas. 
Trocadores de calor de placas aletadas: Este tipo de trocadores tem aletasonduladas, 
geralmente de seções transversais triangulares ou retangulares, ou espaçadores intercalados entre 
placas paralelas. As aletas estão associadas as placas porte fortes soldagem, união por adesivos, 
ajustes mecânicos. As aletas podem ser utilizadas por ambos os lados nos trocadores de calor de 
gás a gás. Nas aplicações de gás a líquido, as aletas de utilizam geralmente só no lado do gás. Se 
colocado no lado liquido se utiliza principalmente para força estrutural e efeitos de mistura de 
fluxo. As aletas são utilizadas também na contenção da pressão e rigidez. 
 
Figura 8 - Geometria das aletas onduladas para trocador de calor de placa aletada. (a)Aleta 
retangular (b) Aleta triangulas (c) Aleta de contrapeso (d) Aleta ondulada (e) Aleta de persiana (f) 
Aleta perfurada (g) Aleta de pinos. 
 
 
 
Fonte: Thulukkanam, 2013. 
 
4.3 COMPACTAÇÃO DE SUPERFÍCIE 
Os equipamentos podem ser classificados como compactos e não compactos de acordo 
com a relação entre superfície de transferência de calor e volume ocupado, ou seja, de acordo 
com a densidade da área superficial. 
 
 
15 
 
Um trocador de calor pode ser classificado como compacto, quando sua compactação é 
superior a 700 m2/m3 . Exemplos de compactação de alguns trocadores de calor: 
 
 Radiador de automóvel – grau de compactação de 1100 m2/m3; 
 Cerâmica vítrea e certos motores a turbina a gás – grau de compactação de 6600 m2/m3; 
 Tubulares – grau de compactação 70 – 500 m2/m3. 
 
O objetivo de aumentar a compactação do trocador está em que um elevado valor de 
compactação reduz o volume do trocador, assim é utilizado quando existe restrições sobre o 
tamanho e o peso do trocador. Tipicamente para aumentar a eficiência em trocadores compactos 
são utilizadas aletas, pois com o aumento da área superficial, aumenta a taxa de transferência de 
calor. 
As vantagens mais ressaltantes do trocador de calor compacto são o bom aproveitamento 
dos materiais, espaço ocupado (volume) e custo, mas tem como desvantagem que os fluidos 
devem ser limpos, poucos corrosivos e um deles, geralmente, em estado gasoso. A motivação 
para o uso de superfície compacta é o rendimento específico do trocador. 
 
4.4 CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM A DISPOSIÇÃO DAS CORRENTES 
A escolha da disposição do fluxo em particular depende da eficiência do trocador 
requerida, os esforços térmicos permitidos, mínima e máxima velocidade permitida, níveis da 
temperatura dos fluidos, perda de carga, entre outros critérios do desenho. Algumas as 
disposições das correntes são: 
Fluxo em paralelo – Neste tipo de trocador as correntes dos fluidos quentes e frios entram 
na mesma extremidade, fluem na mesma direção e saem no outro extremo. Termodinamicamente 
é umas das disposições mais pobres, entretanto, se aplica nos seguintes casos: quando os 
materiais são muito sensíveis a temperatura, pois produz uma temperatura mais uniforme; quando 
se deseja manter a efetividade do trocador sobre o amplo intervalo de fluxo e em processos de 
ebulição. 
 
 
 
 
16 
 
Figura 9 - Disposição do fluxo em paralelo em um trocador de calor. 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Thulukkanam, 2013. 
 
Fluxo cruzado – Neste tipo de trocador, a disposição do fluxo do fluido quente e frio são 
realizadas de forma perpendicular entre si. 
Figura 10 - Disposição de fluxo cruzado em um trocador de calor 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Thulukkanam, 2013. 
 
 
 
 
 
17 
 
Eles podem ser dispostos de várias formas, todas elas buscam elevar a taxa de 
transferência de calor ao máximo e a redução do seu tamanho. O objetivo desta variedade de 
disposição dos tubos é permitir condições para que prevaleça os efeitos de separação da camada 
limite e geração de vórtices, para influenciar positivamente o coeficiente de transferência de calor 
por convecção. 
Fluxo contracorrente – Neste tipo os fluidos quente e frio fluem paralelamente, mas em 
direções opostas um do outro. As variações de temperatura são idealizadas como 
unidimensionais. Esta disposição de fluxo é termodinamicamente superior a qualquer outra. 
 
Figura 11 - Disposição do fluxo contracorrente de um trocador de calor 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Thulukkanam, 2013. 
 
Multifluxos – Este tipo é usado de forma comum nos trocadores de calor, pois intensifica 
a eficiência global sobre as eficiências individuais. Além disso, é possível uma grande variedade 
de configurações para o multifluxos. 
4.5 CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO O MECANISMO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 
Os mecanismos básicos de transferência de calor utilizados para a transferência de calor 
de um fluido ao outro: convecção em uma os fase (forçada ou natural), convecção nas duas fases 
(forçada ou natural) e combinação de convecção e radiação. Em base dos mecanismos de troca de 
fase, os trocadores de calor se classificam como condensadores e evaporadores. 
 
 
18 
 
 Condensadores – Podem ser para esfriar líquidos (agua) ou gases (ar). Os calores das 
correntes do condensador podem ser utilizados para esquentar outro fluido. Normalmente, o 
fluido de condensação se coloca fora dos tubos para um condensador de vapor refrigerado por 
agua ou dentro dos tubos de refrigeração com gás, ou seja, condensadores esfriados por ar de 
refrigeradores e condicionadores de ar. 
Evaporadores – A função deste é evaporar o fluido que está dentro do refrigerante e 
expulsar o calor para o ambiente, cabe destacar que idealmente é um processo isobárico. As 
vantagens de trabalhar com evaporadores são as seguintes: requerem pouca altura, maior 
facilidade de instalação e bom funcionamento para líquidos viscosos. 
 
 
 
19 
 
5 CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE TROCADORES DE CALOR 
 
 
5.1 CRITÉRIOS BASICOS DE SELEÇÃO GERAL DE TROCADOR DE CALOR 
Os critérios para seleção se baseiam na análise dos principais parâmetros de operação, como 
temperatura e pressão de operação, tipo de fluidos e as características de cada tipo de trocador 
mencionadas no capítulo anterior. O fluido envolvido na transferência de calor pode ser 
caracterizado pela temperatura, pressão, lado por onde flui, propriedades físicas e corrosão. 
Segundo,Thulukkanam (2013), os principais pontos para considerar são: 
 
 Materiais de construção; 
 Temperatura e pressão de operação; 
 Caudal; 
 Disposição do fluido; 
 Eficiência térmica; 
 Perda de carga; 
 Fases do fluido; 
 Mantimento, inspeção e limpeza; 
 Fatores econômicos; 
 Técnicas de fabricação. 
 
Para a escolha adequada dos parâmetros anteriormente mencionados é necessário 
conhecer as especificações do projeto, com o objetivo de alcançar a maior eficiência geral do 
processo de transferência de calor através da escolha adequada dos parâmetros. De forma geral, 
os requisitos que se buscam em qualquer trocador de calor utilizado em qualquer projeto ou 
 
 
20 
 
aplicação são a queda de pressão mais baixa possível, alta confiabilidade do equipamento, 
funcionamento seguro, produtos e matérias compatíveis entre si, fácil instalação, mantimento e 
operação, simplicidade na fabricação e baixo custo. 
5.1.1 Materiais de construção 
 
Determinar os materiais de construção de um trocador de calor não é uma tarefa simples, 
implica conhecer de maneira especifica o projeto, sendo os âmbitos mais relevantes : o tipo de 
trocador, fluidos envolvidos no processo, temperatura de entrada e saída; com o intuito de 
realizar os cálculos de maneira mais precisa possível envolvendo a eficiência de transferência de 
calor por condução. Além disso, uma vez que os processos de transferência de calor envolvem 
corrosão do material, será necessáriousar um material que seja confiável e possa ser usado 
continuamente sob os efeitos da temperatura e pressão. Além disso, uma vez que os processos de 
transferência de calor envolvem corrosão do material, será necessário usar um material que seja 
confiável e possa ser usado continuamente sob os efeitos da temperatura e pressão. 
 
5.1.2 Temperatura de operação 
 
Este parâmetro é importante, já que indica se o material na temperatura do projeto, será 
capaz de suportar a pressão do trabalho e as cargas impostas ao material. Para aplicações 
criogênicas, a baixa temperatura e a dureza do material é um requisito fundamental, por outro 
lado, para aplicações que requerem altas temperaturas, o material tem que ter resistência a 
fluência, de forma que o processo pode ser realizado de maneira continua. 
(THULUKKANAM,2013) 
 
5.1.3 Pressão de trabalho 
 
A pressão de operação do trocador é outro fator de grande importância na hora de definir 
o projeto; pois é necessário determinar a espessura dos componentes de retenção de pressão. 
Geralmente, quanto maior a pressão, maior será a espessura requerida pelas membranas de 
retenção de pressão. 
 
 
21 
 
A baixa pressão, a taxa do fluxo volumétrico em fase de vapor é alta e as caídas de 
pressões permitidas podem requerer um projeto que maximize a área disponível para o fluxo. Um 
exemplo típico desde caso é o fluxo cruzado e o fluxo dividido com múltiplos bocais. Por outro 
lado, as altas pressões, a taxa de fluxo volumétrico em fase de vapor são mais baixos e a queda de 
pressão aceitável são maiores; este fator leva o projeto de unidades mais compactadas. Em geral, 
a taxa de transferência de calor mais alta se obtém colocando gás de baixa pressão no exterior das 
superfícies tubulares. 
 
5.1.4 Caudal 
 
O caudal determina a área do fluxo, quanto maior a taxa de fluxo, maior será a área de 
fluxo transversal. Para limitar a velocidade do fluxo através dos dutos, se requer uma área 
superior, além disso, está limitada pela caída de pressão, erosão e no caso do trocador casca e 
tubo, é limitado pela vibração induzida pelo lado do fluxo da carcaça. 
Cabe destacar que trabalhar com uma estimativa da velocidade mínima quase sempre é 
necessário para melhor a transferência de calor, eliminando as áreas de estagnação e recirculação 
dos fluidos, também minimiza a quantidade de sujeira depositada no equipamento. 
 
5.1.5 Disposição do fluido 
 
Como foi dito em itens anteriores, a disposição do fluxo do fluido dependerá de diversos 
fatores, os quais devem ser previamente definidos para posteriormente eleger a disposição do 
fluido. Alguns dos fatores de maior importância são: tipos de construção, tipo de trocador, tipo de 
fluido e condições de operação. 
 
5.1.6 Eficiência térmica 
 
É buscado um elevado rendimento térmico para alcançar uma alta eficácia térmica. Um 
exemplo de medida de aumento de eficiência é o uso de superfícies aletadas para aplicações 
criogênicas e regenerativas para o uso de turbinas a gás. Algumas configurações de superfícies 
com aletas são mostradas na figura 12. 
 
 
22 
 
Figura 12 - Desenho esquemático de algumas configurações de superfícies aletadas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Cengel (2012) 
 
5.1.7 Perda de carga 
 
A perda de carga é um dos paramentos mais importantes no desenho de trocador de calor, 
uma vez que impõe limitações do processo pela pressão de fluxo do fluido em termos da estrutura 
do trocador. O projeto do trocador deve ser realizado de maneira que diminua o máximo a caída 
de pressão improdutiva, evitando assim perdas significativas nas entradas e saídas das curvas, 
bicos e coletores. 
 
 
 
23 
 
5.1.8 Tipo de fases dos fluidos 
 
As fases dos fluidos, assim como o tipo de fluido dentro do trocador é uma consideração 
de suma importância dentro dos critérios de seleção de trocadores. Entre as configurações de 
fases que podemos utilizar em um trocador, são: liquido-liquido, liquido-gás e gás-gás; a mais 
simples de trabalhas é na configuração de fluidos em fase liquida, pois, geralmente altos valores 
de densidades favorecem a propriedade de transporte, permitindo assim obter bons resultados de 
transferência de calor a pressões relativamente baixas. 
 
5.1.9 Mantimento, inspeção e limpeza 
 
De todas as partes que formam o trocador são os três fatores que são aplicados no pré-
processo e pós-processo de utilização de trocadores, isso se deve pois a não realização de 
algumas destas três tarefas pode prejudicar alguma parte do equipamento, assim como uma 
diminuição drástica da eficiência do processo. 
 
5.1.10 Fatores econômicos 
 
É importante tem em conta que fatores importantes formam este item: o custo de 
fabricação do trocador e os gastos de funcionamento ( incluindo os custos de mantimento). De 
maneira geral, uma menos área de superfície de transferência de calor e menos complexidade do 
projeto, implica um menos custo de fabricação. 
No custo de operação se inclui todos os dispositivos de bombeamento empregados no 
processo, tais como, ventiladores, sopradores e bombas de bombeamento. Por outro lado, os 
custos de manutenção incluem os custos de troca de peças do trocador, custos de limpezas do 
dispositivos mecânicos. É por isso que o projeto do trocador de calor requer um equilíbrio 
adequado dos fatores anteriormente descritos. 
 
5.1.11 Técnicas de fabricação 
 
 
 
24 
 
As técnicas implementadas na fabricação dos trocadores de calor é um dos fatores 
determinantes para a seleção da matriz de superfície de transferência de calor, alem disso sua 
escolha influencia diretamente no tempo de vida útil do equipamento, facilidade ou dificuldade 
de mantimento, resistência a corrosão, etc. Por exemplo, os trocadores do tipo casca e tubo em 
sua maioria são fabricados por soldagem, trocados de placa aletadas e radiadores são feitos de 
alumínio, por ser uma soldagem mais forte. 
5.2 CRITERIOS BÁSICOS DE SELEÇÃO DE TROCADORES DE CALOR 
 
Os trocadores de calor do tipo casco e tubo são um dos mais utilizados na indústria, isto se 
deve em parte, aos seguintes fatores: 
 
 Fácil troca de componentes por manutenção ou falha; 
 Alta resistência mecânica a tensões aplicadas; 
 Presenta alta relação de transferência de calor em função do volume do trocador. 
 
Esta última caraterística é uma das mais importantes, já que representa uma considerável 
vantagem para processos produtivos de troca térmica onde o espaço é um fator fundamental. 
Assim, este tipo de trocadores tem alto coeficiente de troca térmica para um volume 
consideravelmente menor do equipamento. 
Para uma seleção correta de um trocador de calor, é necessário determinar as caraterísticas 
de seus componentes. 
 
5.2.1 Componentes de um trocador de calor de casco e tubo 
 
A geométrica básica de um trocador de calor de casco e tubo é presentada na figura 13, a 
seguir: 
 
 
 
 
 
25 
 
Figura 13 - Esquema básico de um trocador tipo casco e tubo. 
 
 
Fonte: Universidade Federal do Rio Grande 
 
Os componentes do trocador casco e tubo são os seguintes: 
A. Tubos; 
B. Espelhos; 
C. Casco; 
D. Cabeçote; 
E. Tampas; 
F. Divisiores; 
G. Chicanas. 
 
5.2.1.1 Tubos 
 
Componente básico e fundamental deste tipo de trocadores, geralmente tem preço 
elevado, pois apresentam diversas geométricas oriundas do processo no qual serão utilizados. 
Como este componente está em contato direto com o fluido a ser refrigerado/esquentado, são 
altamente propensos à corrosão. 
As dimensões padrões utilizadas para diâmetro externo são:1/4”, 3/8”, 1/2”, 3/4”, 1”, 
1.1/4”, 1.1/2”. Como pode ser visualizado na figura 13 a seguir, estes tubos podem ser de 
superfícies lisas ou aletadas. 
 
 
 
26 
 
Figura 14 - Tubos de trocador de calor de tipo casco 
 
Fonte: http://argenfrio.com.ar/tubos_aletados.html 
 
 
5.2.1.2 Espelhos 
 
Os espelhos servem como suporte para o conjunto de tubos, que são fixados aos espelhos 
por processo de soldamento. Basicamente é uma placa de metal perfurado, onde são depositados 
os tubos, tal e como mostra a figura 15. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
27 
 
Figura 15 - Processo de fixação de tubos 
 
 
Fonte: Universidade Federal do Rio Grande 
 
5.2.1.3 Casco 
 
Existem 7 tipos de casco estandardizadas por TEMA y ASME VII [Thulukkanam (2013)]: 
 
 E - Casco de um passe; 
 F - Casco de dois passes com chicana longitudinal; 
 G - Casco de duplo fluxo dividido; 
 H - Casco de fluxo dividido; 
 J - Casco de divisão de fluxo; 
 K - Casco tipo caldeira; 
 X - Casco de fluxo cruzado; 
 
 
28 
 
 
Cada tipo de arranjo de casco apresenta caraterísticas peculiares, é por isso que o uso de 
cada casco dependera do processo. 
Casco tipo E: 
 Baixo custo e simplicidade de construção; 
 É compatível com chicanas transversais; 
 Comumente utiliza fluidos monofásicos. 
Carco tipo F: 
 Apresenta alta taxa de troca térmica; 
 Alta queda de pressão; 
 Tem diversos problemas associada ao uso de chicanas longitudinal. 
Casco tipo G: 
 Utilizada para fluidos com cambio de fase para fluxo contracorrente; 
 Entrada central com saída do bocal longitudinal; 
 Quando o fluido ingressa, este se divide em duas correntes. 
Casco tipo H: 
 É a mais utilizada para fluidos com troca de fase para fluxo contracorrente; 
 Apresenta duas entradas, dois bocais de saída e dois defletores; 
 Menor queda de pressão quando comparado com E, F e G. 
Casco tipo J: 
 Quando o fluido entra, as correntes são divididas e escoam em direções longitudinais; 
 A velocidade de fluxo é a metade da carcaça do tipo E; 
 Queda de pressão é 1/8 de E. 
 
 
29 
 
Casco tipo K: 
 É um doo cascos que apresentam o maior tamanho; 
 O diâmetro varia entre o 50% ao 70% da largura; 
 Os feixes de tubos têm movimento livre, 
 Para usos que necessitam evaporar parcialmente o fluido. 
Casco tipo X: 
 Utiliza chicanas transversais; 
 Ao ingressar, o fluido é dividido em multiplex correntes parciais que escoam pelo feixe de 
tubos; 
 O fluxo pode ser paralelo, cruzado ou de contra fluxo. 
 
5.2.1.4 Cabeçote 
 
Os cabeçotes são as estruturas que distribuem o fluido que circula pelo trocador. 
Apresentam múltiplas configurações e a sua escolha dependera da especificação do projeto. Na 
figura 16 abaixo são exibidas as diversas configurações do cabeçote: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
30 
 
 
Figura 16 - Configurações de cabeçotes. 
 
Fonte: Universidade Federal do Rio Grande 
 
Como se mostra na figura anterior, os cabeçotes podem ser de dois, quatro, seis, ou outo 
passos. 
 
5.2.1.5 Tampas 
 
Estruturas de fechamento ou abertura do trocador, se encontra nos extremos, 
especificamente por onde ingressam os fluidos que realizaram a troca térmica. Podem ser 
fechadas permanentemente por meio de processo de solda, porém não podem ser retiradas e não é 
possível fazer processo de manutenção. Por outra parte, as tampas que não são fechadas por 
soldagem, podem ser trocadas em processos de manutenção. 
 
5.2.1.6 Divisores 
 
 
 
31 
 
Componente que divide o fluido no ingresso e na saída do casco. Porém, após o começo 
do ciclo de troca térmica, o mesmo fluido experimentara uma troca térmica pela parede da 
divisão produto do processo em si. 
5.2.1.7 Chicanas 
 
Existe uma grande variedade de chicanas dependendo da aplicação do projeto, algum deles 
são listados a seguir [Thulukkanam, 2013]: 
a) Chicanas transversais: 
A transferência de calor que acontece nos trocadores que apresentam estas chicanas é 
altamente dependente da quantidade de cortes que tenha este segmento. São subdivididos 
em chicanas transversais do tipo vara e de placa. 
Na figura abaixo se mostra um esquema de um segmento transversal de uma chicana 
transversal. 
 
Figura 17- Segmento de chicana transversal. 
 
 
Fonte: Thulukkanam, 2013 
b) Chicana de disco: 
Sua composição básica é feita a partir de um disco pequeno e um disco central, como 
mostra a figura 18: 
 
 
32 
 
 
Figura 18 - Esquema chicana tipo disco 
 
Fonte: Thulukkanam, 2013 
 
A geometria deste componente faz com que a queda de pressão seja menor, quando 
comparada com a chicana segmentária. Entre suas aplicações, destaca se o uso para troca de 
calor de componentes nucleares. 
c) Chicana de orifício: 
Estas chicanas atuam como uma cobertura do fluido, já que as cavidades destes 
componentes são de grande tamanho. Devido à dificuldade de limpeza, não são muito 
utilizados. Na figura 19 se mostra a disposição das chicanas de orifício. 
Figura 19 - Chicanas de orifícios 
 
Fonte: Thulukkanam, 2013 
 
 
 
33 
 
 
d) Chicanas longitudinais: 
 
Nestas chicanas, o casco é dividido em duas ou mais seções, a modo de gerar multipasse 
de fluido no casco. Uma caraterística importante é o fato de que a chicana deve estar 
soldada no casco, caso contrário, este componente terá movimentação interna que afetara 
o intercambio térmico. 
 
e) Chicana oval: 
 
A caraterística principal destes componentes é que tem grande suporte à vibração 
induzida pelo escoamento do fluido nos tubos. Outra caraterística de importância é a 
baixa queda de pressão. No seu desenho construtivo, estes estão dispostos em forma de 
segmentos paralelos ao feixe de tubos, como pode ser visualizado na figura 20. 
Figura 20 - Modelos de defletor oval. 
 
 
Fonte: Thulukkanam, 2013 
 
 
 
 
 
 
34 
 
f) Chicanas onduladas: 
Em estas chicanas, o fluxo do fluido é de forma axial, isto melhora significativamente a troca 
térmica. Como é mostrada na figura 21, sua estrutura se assemelha a uma barra ondulada. 
Figura 21 - Modelo de defletor ondulado 
 
Fonte: Thulukkanam, 2013 
6 DIMENSIONAMENTO DO TROCADOR 
 
Nesta parte será dimensionado um trocador de calor do tipo casco e tubo para o uso na indústria 
alimentícia, no caso, para o resfriamento de maionese em seu processo de produção, por 
convecção. Durante o processo de produção da maionese sua temperatura é elevada de 100 a 
170°C para a eliminação de microrganismos, a diminuição desta temperatura ocorre por meio de 
convecção com a água, que será resfriada no trocador de calor. 
 
6.1 DADOS INICIAIS 
Para o desenvolvimento do projeto são considerados os seguintes dados iniciais, o fluido 
em estudo será a água: 
 
 
 
35 
 
 
Tabela 1- Dados iniciais para o dimensionamento do trocador de calor. 
Água – Fluido quente Água – Fluido frio 
- Vazão: 0,082 kg/s - Vazão: x 
- Te,Temperatura de entrada: 170°C - Te,Temperatura de entrada: 10°C 
- Ts, temperatura de saída: >80°C - Ts, temperatura de saída: 60°C 
-P0: 700KPa -P0: 350 KPa 
-𝛥P: <150KPa -𝛥P: <90 KPa 
 
6.2 DEFINIÇÃO DOS ESTADOS TERMODINÂMICOS 
Os seguintes dados são obtidos pela função da temperatura dos fluidos, segue: 
 
Tabela 2 - Definição dos estados termodinâmicos para Água - fluido quente. 
Água – Fluido quente 
 
 
 
 
 
Tabela 3 - Definição dos estados termodinâmicos para Água - fluido frio. 
Água – Fluido frioInicial Final 
Temperatura: 170°C Temperatura: 80°C 
Pressão de Saturação: 791,7KPa Pressão de Saturação: 47,39 
Estado: Liquido comprimido Estado: Liquido comprimido 
Inicial Final 
Temperatura: 10°C Temperatura: 60°C 
Pressão de Saturação: 1,2276KPa Pressão de Saturação: 19,94 
Estado: Liquido comprimido Estado: Liquido comprimido 
 
 
36 
 
 
Observações: Não ocorre mudança de fase em ambos os processos. 
6.3 PROPRIEDADES DOS FLUIDOS DE TRABALHO 
As propriedades termodinâmicas dos fluidos se estabelecem em função das temperaturas 
medias de entrada e saída de cada fluido, mostrada na tabela a seguir: 
 
Tabela 4 - Propriedades termodinâmicas dos fluidos de trabalho. 
Propriedades Água – Fluido quente Água – Fluido frio 
Temperatura media 125°C 35°C 
Massa especifica 948,05 Kg/m
3
 994,08 Kg/m
3
 
Calor especifico 4316 W/Kg.K 4120 W/Kg.K 
Condutividade térmica 0,78 W/m.K 0,71 W/m.K 
Viscosidade dinâmica 0,000289 kg.s/m 0,000897 kg.s/m 
Fator de Incrustação 0,00035 m
2 
. °C/W 0,00021 m
2 
. °C/W 
 
6.4 LOCALIZAÇÃO DOS FLUIDOS DE TRABALHO 
Cada fluido mencionado anteriormente circulará em uma parte do trocador, a escolha deste 
depende da análise das características que eles apresentam. 
 Água – Fluido quente: circulará nos tubos, como este fluido apresenta uma pressão 
maior que a agua fria, no caso de ocorrer algum tipo de estrago na estrutura ficará 
mais fácil substitui-los, do que substituir o casco do trocador. 
 Água – Fluido frio: circulará no casco, pois sua viscosidade é maior então é possível 
obter um de calor maior e maior turbulência. 
6.5 BALANÇO DE CALOR E MASSA 
 ( ) 
 
 
37 
 
 ( , 
 
 
) ( 
 
 
) ( ) , � , � 
 
 , � 
( 
 
 )
( )
 , �
 
 
 
 
Que corresponde a vazão da água fria. 
6.6 CONSIDERAÇÕES PARA PRESSÃO E TEMPERATURA DO PROJETO 
Seguindo as recomendações da norma, segue o seguinte: 
 � � 
 � 
A) Tubos (Fluido quente) 
 � � � 
 
B) Casco (Fluido Frio) 
 � � � 
 
6.7 CÁLCULO DA TEMPERATURA MÉDIA 
∆ � � 
∆ � � 
 
6.8 MÉDIA LOGARÍTMICA DE DIFERENÇA DE TEMPERATURA 
 
 
38 
 
 
∆ ∆ 
 (
∆ 
∆ 
)
 , 
 
6.9 DETERMINAÇÃO DO FATOR DE CORREÇÃO F 
 
 
 � � 
 � � 
 
( ) 
( ) 
 , 
Onde, P representa o coeficiente de efetividade. 
𝑅 
𝑇𝑐𝑎𝑠�,𝑒𝑛𝑡 𝑇𝑐𝑎𝑠,𝑠𝑎𝑖
𝑇𝑐𝑎𝑠,𝑒𝑛𝑡 𝑇𝑡𝑢𝑏,𝑒𝑛𝑡
 
( ) 
( ) 
 , 
Onde, R represente a relação de capacidades térmicas. 
Associando P e R, se obtém o fator de correção F: 
Portanto, F ≃ 0,89 
A correção ficará da seguinte maneira: 
∆ � ( , , ) , 
6.10 DETERMINAÇÃO DO TIPO DE TROCADOR DE CALOR 
 
6.10.1 Tipo de cabeçote frontal 
 
Como o fator de correção F ≃ 0,89 é recomendado o uso do cabeçote estacionário, neste 
caso o tipo A. 
 
6.10.2 Tipo de casco 
 
 
 
39 
 
Para F ≃ 0,89 se recomendo o tipo de casco Tipo E. 
 
6.10.3 Tipo de cabeçote posterior 
 
Para determinar a escolha deste, primeiro é necessário calcula o parâmetro 𝑇 ,: 
 , � �
( � )
 
 �
( ) 
 
 
 
Obtêm-se 𝑇 , < 10°C não é necessário ter um cabeçote flutuante. Então, escolhemos um 
cabeçote posterior do Tipo L. 
 
6.10.4 Conclusão da determinação do tipo de trocador 
 
Após esta análise, a escolha da estrutura da construção do trocador de calor será do tipo 
AEL. 
Figura 22 - Componentes do trocador casco e tubo segundo TEMA 
 
 
Fonte: TEMA 
 
 
 
 
40 
 
6.11 DIMENSIONAMENTOS DOS BOCAIS 
6.11.1 Diâmetro mínimo dos tubos 
 𝑡𝑢𝑏𝑜, 𝑖𝑛 �√(
 𝑚𝑐
𝜌𝑐 𝑉𝑡𝑢𝑏𝑜 𝑎𝑥
) , 𝑚 
6.11.2 Diâmetro mínimo do casco 
 𝑐𝑎𝑠𝑐𝑜, 𝑖𝑛 �√(
 𝑚 
𝜌𝑐 𝑉𝑐𝑎𝑠𝑐𝑜 𝑎𝑥
) , 𝑚 
6.11.3 Dimensionamentos dos tubos 
 
O diâmetro e espessura são baseados no manual da ESSEL, que se baseia na normativa 
TEMA. 
6.11.4 Diâmetro e espessura 
 
O fator de incrustação (<0,0005m°C/W), que passará pelos tubos é pequeno, assim é 
recomendado escolher tubos de ∅𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 
 ,,
 
 e ∅𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 . 
6.11.5 Comprimento 
 
O tamanho de tubo mais econômico, ou seja, o mais usado é de 6 metros. De acordo com 
o TEMA, são padronizados comprimentos de tubos de 2,5 – 3 – 3,6 – 4,8 e 6 m, embora tubos 
maiores possam ser utilizados. 
Para este processo, foi escolhido um trocador com comprimento de 2,5 metros. 
 
6.11.6 Disposição dos tubos 
 
Segundo definições do TEMA com relação à direção de fluxo do lado do casco do 
trocador, a disposição triangular é o que da para o trocador o menor custo por unidade de área, 
pois tem um menos diâmetro do casco para uma mesma área de troca térmica. Porém, em termos 
 
 
41 
 
de manutenção de limpeza este tipo deve ser usado somente quando os fatores de incrustação do 
lado do casco forem menos que 0,0004. Assim será adotado a disposição triangular 30°. 
Figura 23 - Disposição dos tubos no trocador. 
 
Fonte: ESSEL 
 
6.12 ESTIMATIVAS DO COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR DA 
ÁREA DE TRANSFERÊNCIA 
 
6.12.1 Estimativa inicial do coeficiente global de trocador de calor 
 
O coeficiente global de transferência de calor do tipo água-água, pode ser estimado 
850<U<1800. Assim se estima, portanto em: 
 (
 
𝑚 
) 
6.12.2 Calculo da área estimada 
 𝑡𝑐 
𝑄𝑐 
 ∆𝑇 
 , �𝑚 
 
6.12.3 Determinação do número de tubos 
 
∅𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 
 
 
 =0,01905 m 
 
 
42 
 
 ∅𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 =0,0254 m 
 �
 𝑡𝑐
 �∅𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 �( )
 
 
Onde, 
N= número de tubos; 
 𝑡𝑐= Área de troca de calor; 
∅𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 = diâmetro externo; 
L= comprimento dos tubos; 
e= espessura dos tubos; 
6.13 DIMENSIONAMENTO DO CASCO 
Com as dimensões do diâmetro dos tubos e a quantidade, o diâmetro do casco será: 
∅𝑐𝑎𝑠𝑐𝑜 0, 572m 
 
6.14 DIMENSIONAMENTO DAS CHICANAS 
 
Para o cálculo das chicanas usa-se as recomendações padronizadas da TEMA. 
 
6.14.1 Espaçamento 
 
O espaçamento que deve ter entre as chicanas é uma analise de cois critérios onde será usado 
o maior deles: 
1) 
 
 
 do diâmetro do casco (∅𝑐𝑎𝑠𝑐𝑜) = 0,1144m 
 
 
43 
 
2) Duas polegadas 0,0508m 
Portanto, se elege o espaçamento 0,1144m entre as chicanas. 
6.14.2 Número de chicanas 
 
O número de chicana será obtido com o comprimento do tubo e seu espaçamento, assim: 
 𝑐 𝑖𝑐𝑎𝑛𝑎𝑠 �
 , �𝑚
 , 𝑚
 , � 
 
6.14.3 Altura das chicanas 
 
Para estabelecer a altura do corte das chicanas deve se levar em consideração o seguinte: 
20% < h < 30% do diâmetro do casco. Logo, considerando 25%, a altura ocupada pela chicana 
será de 75%. 
 𝑐 𝑖𝑐𝑎𝑛𝑎𝑠 � ( , �∅𝑐𝑎𝑠𝑐𝑜) , �𝑚 
 
 
 
44 
 
7 CONCLUSÃO 
 
Partindo de uma analise teórica que foi feita neste presente trabalho, trocadores de calor 
são dispositivos térmicos que promovem a transferência de energia térmica entre fluidos, sem que 
estes entrem em contatos. A finalidade deste trabalho foi fazer uma revisão bibliográfica destes 
equipamentos e os fenômenos nos quais estão submetidos, com um aprofundamento do estudo 
dos trocadores de calor do tipo casco e tubo, devido a sua ampla aplicação na indústria.Em seguida, foi realizado um dimensionamento sucinto de um trocador de calor do tipo 
casco e tubo, a partir de um estudo de caso na indústria alimentícia, usando as recomendações da 
norma TEMA. Realizando os cálculos e com os dados encontrados foi denominado um trocador 
de calor do tipo casco e tubo com a configuração AEL. 
 
 
 
45 
 
8 BIBLIOGRAFIA 
 
ÇENGEL, Yunus A. Termodinâmica, sexta edição, México D.F: Mcgraw Hill, 2009. 
ÇENGEL, Yunus A. Transferência de Calor, quarta edição, México: Mcgraw Hill, 2012. 
THULUKKANAM, K. Heat Exchange Desing Handbook. Columbus: CRC Press, 2013. 
LEVENSPIEL, O. Fluxo de fluido: Troca de calor. Barcelona: Reverte, 2004. 
OZISIK, M. Heat Transfer a Basic Approach. Nova York: McGraw-Hill Book Company,1985