TROCADORES DE CALOR

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UNIP - UNIVERSIDADE PAULISTA 
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS 
ENGENHARIA MECÂNICA/MECATRONICA 
 
 
 
FELIPE BELISIARO 
MARIANO DE GIULI 
VICTORIA C. VITTURI 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TROCADORES DE CALOR 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SÃO JOSE DO RIO PRETO 
2017 
 
 
 
FELIPE BELISIARO 
MARIANO DE GIULI 
VICTORIA C. VITTURI 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TROCADORES DE CALOR 
 
Atividade pratica supervisionada 
apresentado à universidade 
paulista, como requisito para obtenção de 
nota bimestral. 
 
Coordenadores: Profª MSc. Adriana Caseiro 
Profº MSc. André De Paula 
 
 
 
 
 
 
 
SÃO JOSE DO RIO PRETO 
2017 
 
 
 
Resumo 
 O processo de troca de calor entre dois fluidos que estão a diferentes temperaturas 
e se encontram separados por uma parede sólida ocorre em muitas aplicações de 
engenharia. O equipamento usado para implementar essa troca é conhecido como 
trocador de calor, e suas aplicações específicas podem ser encontradas no aquecimento 
de ambientes e no condicionamento de ar, na produção de potência, na recuperação de 
calor em processos e no processo químico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SUMARIO 
 
1 – Objetivo ................................................................................................................................5 
2 – Introdução .............................................................................................................................5 
 2.1 – Tipos de trocadores de calor .................................................................................5 
 2.1.2 – Materiais para trocadores de calor .....................................................................6 
 2.1.3 – Fatores que influenciam na troca de calor .........................................................6 
2.2 – Corrosão ............................................................................................................................7 
 2.2.1 - Corrosão por aeração diferencial .......................................................................7 
 2.2.2 - Corrosão eletroquímica ......................................................................................7 
2.2.3 - Corrosão galvânica .............................................................................................8 
2.4 – Incrustação ........................................................................................................................8 
3 – Referencia ...........................................................................................................................10 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1. Objetivo 
Apresentar os parâmetros de desempenho para avaliar a eficácia de um trocador 
de calor e desenvolver metodologias para projetá-lo ou para prever o desempenho de um 
trocador existente operando sob condições especificadas. 
2. Introdução 
Um trocador 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 misturam-se, ou podem estar em contato direto. Um 
trocador de calor é normalmente inserido num processo com a finalidade de resfriar ou 
aquecer um determinado fluido. São amplamente usados 
em aquecedores, refrigeração, condicionamento de ar, usinas de geração de 
energia, plantas químicas, plantas petroquímicas, refinaria de petróleo, processamento de 
gás natural, e tratamento de águas residuais. 
 
2.1. Tipos de trocadores de calor 
Os trocadores de calor são classificados em função da configuração do 
escoamento e do tipo de construção. No trocador mais simples, os fluidos quente e frio se 
movem no mesmo sentido ou em sentidos opostos em uma construção com tubos 
concêntricos ou bi tubular. Na configuração paralela, os fluidos quente e frio entram pela 
mesma extremidade. Na configuração contracorrente, os fluidos entram por extremidades 
opostas, escoam em sentidos opostos e deixam o equipamento em extremidades opostas. 
Alternativamente, os fluidos podem se mover em escoamento cruzado, um fluido 
escoa perpendicularmente ao outro, como ilustrado pelos trocadores de calor tubulares, 
com e sem aletas. As duas configurações são tipicamente diferenciadas por uma 
idealização que trata o escoamento do fluido sobre os tubos como misturado e não 
misturado. 
Outra configuração comum é o trocador de calor casco e tubos. Formas específicas 
desse tipo de trocador de calor se caracterizam em função dos números de passes no casco 
e nos tubos. Sua forma mais simples envolve um único passe nos tubos e no casco. 
Normalmente são instaladas chicanas para aumentar o coeficiente convectivo no fluido 
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no lado do casco, através da indução de turbulência e de um componente de velocidade 
na direção do escoamento cruzado. Além disso, as chicanas apoiam fisicamente os tubos, 
reduzindo a vibração dos tubos induzida pelo escoamento. 
Uma classe especial e importante de trocadores de calor é utilizada para atingir 
superfícies de transferência de calor muito grandes (≥ 400 m²/m³ para líquidos e ≥ 700 
m²/m³ para gases) por unidade de volume. Conhecidos por trocadores de calor compactos, 
esses equipamentos têm densas matrizes de tubos aletados ou placas e são tipicamente 
usados quando pelo menos um dos fluidos é um gás, sendo, portanto, caracterizado por 
um pequeno coeficiente de transferência de calor. Os tubos podem ser planos ou 
circulares e as aletas podem ser planas ou circulares. Trocadores de calor com placas 
paralelas podem ser aletados ou corrugados, e podem ser utilizados como modos de 
operação de um único passe ou com múltiplos passes. As seções de escoamento 
associadas aos trocadores de calor compactos são tipicamente pequenas (𝐷𝐻 ≤ 5𝑚𝑚), e 
o escoamento é normalmente laminar. 
 
2.1.2 Materiais para os trocadores de calor 
Sabemos que em um trocador de calor haverá a troca de energia entre dois fluidos, 
através de uma parede. Quando falamos nos materiais usados em um trocador de calor, 
portanto, nos referimos basicamente ao material da parede sólida utilizada para separar 
esses dois fluidos e que será o principal responsável pela transferência de calor entre eles. 
A característica mais importante desse material que forma a parede sólida é a sua 
condutibilidade térmica. O cobre, alumínio e suas ligas, segundo Lienhard IV e Lienhard 
V, é a substância comum com a maior condutividade térmica a temperatura ambiente. 
 
2.1.3 Fatores que influenciam na troca de calor 
Existem vários fatores que entram em consideração na hora de determinar a troca 
de calor total em um trocador de calor. Os mais importantes são: 
• Temperaturas terminais: diferença de temperatura entre fluido de trabalho e 
fluido refrigerante; 
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• Área de contato (geometria do trocador): área que separa os dois fluidos acima 
citados. Quanto maior, mais eficiente a troca de calor (ex: tubos aletados, que aumentam 
a área de troca de calor e, portanto, a eficiência); 
• Material do trocador: geralmente deve possuir um coeficiente de condutibilidade 
térmica elevado, como foi explicado na seção anterior. Sendo assim, são amplamente 
utilizados o cobre e o alumínio e suas ligas. 
• Velocidade do escoamento: quanto maior a velocidade de escoamento, maior a 
turbulência criada, e por conseguintemaior o coeficiente de troca de energia. 
• Fator de sujeira: deve ser evitado qualquer efeito de acúmulo ou incrustação. 
• Perda de carga dentro do trocador: quanto maior a perda de carga, menos 
eficiente será o nosso trocador de calor. 
 
2.2. Corrosão 
2.2.1 Corrosão por aeração diferencial 
Este mecanismo de corrosão é encontrada devido a formação de depósitos nas 
regiões em que o tubo interno aproxima-se do tubo externo, região prioritária para esta 
formação é a região das curvas, pois nesta região não existem abraçadeiras de 
centralização. Nestas regiões tem-se uma diminuição da velocidade da água favorecendo 
esta formação. Esta corrosão também ocorre com frequência em frestas. Assim, o interior 
da fresta, devido a maior dificuldade de renovação do eletrólito, tende a ser menos 
concentrado em oxigênio (menos aerado), logo, área anódica. Por sua vez a parte externa 
do depósito, onde o eletrólito é renovado com facilidade, tende a ser mais concentrada 
em oxigênio (mais aerada), logo, área catódica. O desgaste se processará no interior do 
depósito ocasionando perda de espessura do tubo externo. 
2.2.2 Corrosão eletroquímica 
Este mecanismo de corrosão é encontrado na abraçadeira centralizadora e no tubo 
externo (casco), e é decorrente devido a heterogeneidades diversas decorrentes de 
composição química, textura do material, tensões internas. As causas determinantes são 
inclusões, segregações, trincas, acabamento superficial, diferença no tamanho e 
contornos de grão, tratamentos térmicos diferentes, etc. 
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2.2.3 Corrosão galvânica 
Este mecanismo de deterioração é verificado entre o tubo interno e o revestimento 
de cobre, e entre as abraçadeiras e o tubo externo (casco), quando dois materiais 
metálicos, com diferentes potenciais, estão em contato em presença de um eletrólito, 
ocorre uma diferença de potencial, isto é, uma transferência de elétrons. Este tipo de 
corrosão se caracteriza por apresentar corrosão localizada, próxima a região do 
acoplamento, ocasionando profundas perfurações no material metálico que funciona 
como ânodo (a corrosão é muito mais acentuada que a corrosão isolada deste material sob 
ação do mesmo meio corrosivo). A corrosão do material que funciona como cátodo é 
muito mais baixa do que a que ocorre quando o material sofre corrosão isolada. 
2.4 Incrustação 
Incrustação ocorre quando um fluido passa por um trocador de calor, e as 
impurezas no fluido precipitam-se sobre a superfície dos tubos. 
A precipitação destas impurezas pode ser causada por uso frequente do trocador 
de calor, ausência de limpeza regular do trocador de calor, redução da velocidade dos 
fluidos movendo-se através do trocador de calor e superdimensionamento do trocador de 
calor. 
Efeitos de incrustação são mais abundantes nos tubos quentes dos trocadores de 
calor que em tubos frios. Isto é causado porque impurezas são menos facilmente 
dissolvidas num fluido frio. Isto é porque, para a maioria das substâncias, 
a solubilidade aumenta quando a temperatura aumenta. Uma notável exceção é água 
dura e seus sais de metais alcalinos-terrosos onde o oposto é verdadeiro. 
A incrustação aumenta a área da seção transversal para o calor ser transferido e 
causa um aumento na resistência à transferência de calor através do trocador de calor. Isto 
é porque a condutividade térmica da camada de incrustação é baixa. Isto reduz 
o coeficiente de transferência térmica global e a eficiência do trocador de calor. 
Ocorrendo isto, pode conduzir a um aumento nos custos de bombeamento e manutenção. 
A abordagem convencional para o controle de incrustação combina a aplicação 
“cega” de biocidas e produtos químicos antitártaro com testes de laboratório. Isto 
frequentemente resulta em uso excessivo de produtos químicos com o inerente efeito 
colateral de acelerar o sistema de corrosão e aumentar os resíduos tóxicos - sem 
mencionar o incremento de custos de tratamentos desnecessários. 
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No entanto, existem soluções para monitoramento contínuo incrustantes em 
ambientes líquidos, tais como o sensor Neosens FS, medindo tanto a espessura de 
incrustação e temperatura, permitindo otimizar a utilização de produtos químicos e 
controlar a eficiência de limpeza. 
O superdimensionamento dos trocadores causa o aumento da incrustação pela 
diminuição do arraste tanto de sólidos particulados quanto de impurezas que se 
solidificam e se precipitam ao longo do trocador, não sendo removidos continuamente 
pela ação do próprio movimento em suficiente velocidade do fluido. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 3 - Referências 
 INCROPERA, F. P. et al. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. 7. ed. New York: John Wiley 
& Sons, 2007. 
 
 KREITH. F. Mechanical Engineer Handbook, CRC Press, 1999 
 
LIENHARD IV e LIENHARD V. A Heat Transfer Textbook. 3rd edition. Phlogiston Press, 2006. 
 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Trocador_de_energia_t%C3%A9rmica 
Acesso em: 19 de maio. 2017. 
 
http://www.aaende.org.ar/ingles/sitio/biblioteca/material/PDF/COTE102.PDF 
Acesso em: 19 de maio. 2017.