Trocadores_de_Calor1

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Trocadores de Calor
Operações unitárias
Trocadores de calor
• São equipamentos que realizam a operação de
troca térmica entre dois fluidos. A troca
térmica se dá sem o contato físico entretérmica se dá sem o contato físico entre
fluidos. Os fluidos são separados por uma
parede, na maioria dos casos metálicos.
Classificação
Os trocadores podem ser classificados pela função que
desempenham dentro do processo:
•Trocadores/recuperadores: recuperam calor entre duas correntes
do processo.
•Condensadores: Removem calor latente de um vapor.•Condensadores: Removem calor latente de um vapor.
•Resfriadores: resfriam uma corrente, na maioria dos casos utilizam
água como fluido refrigerante.
•Aquecedores: utilizam vapor ou óleo térmico.
•Refervedores: suprem a necessidade de calor latente na
destilação.
•Evaporadores: concentram soluções através da evaporaçãode água
ou solvente.
Principais tipos de trocadores de 
calor
• Trocador de calor duplo tubo
• Trocador de calor casco tubos• Trocador de calor casco tubos
• Trocador de calor de placas
Trocador de calor duplo tubo
Curva de retorno Cabeçote de retorno
Tê
Grampo
Trocador de calor duplo tubo
• Conjunto que possui forma em “U” é chamado de
grampo
• Normalmente são compostos por vários grampos
conectados em sérieconectados em série
• Tubos comerciais – Norma IPS
– O TEMA (standards of tubular exchanger manufactures
association) recomenda tubos de : 8, 10, 12, 16 e 20 ft
– Características dos tubos de aço IPS� Tabela 8.1
– Exemplo: Trocador 2 ½ X 1 ¼ para série 40 S
área de escoamento: tubo 1,5 in2 e anel 3,29 in2
Trocador de calor duplo tubo
• Vantagens:
– Facilidade de construção e montagem
– Ampliação da área de transferência de calor
– Facilidade de manutenção– Facilidade de manutenção
• Desvantagem:
– Ocupa grande espaço físico para pouca área de 
troca térmica. 
– Economicamente viável quando são necessárias 
áreas de troca térmica de até 30 m2.
Operações em paralelo e 
contracorrente
Operação em paralelo: os fluidos
percorrem o mesmo sentido
Operação em contracorrente: os
fluidos percorrem o trocador em
sentidos contrários
Trocador de calor casco e tubos
Espelho
Trocador de calor casco e tubos
• Dispositivos para aumentar a taxa de
transferência de calor:
– Chicanas: desviam a trajetória do fluido no casco formando
turbilhões.
– Passes múltiplos nos tubos: aumentam a velocidade do fluido– Passes múltiplos nos tubos: aumentam a velocidade do fluido
que escoa nos tubos e, assim, o coeficiente de transmissão de
calor.
– Passes múltiplos no casco: por motivo análogo ao dos passes
múltiplos nos tubos.
– Aletas: aumentam a área de troca térmica – recomendadas
quando o fluido escoando nos tubos possui baixo coeficiente de
transferência de calor por convecção.
Trocador de calor casco e tubos
• Também podem operar em paralelo e
contracorrente
• Tubos comerciais
– A TEMA recomenda:
• para os feixes de tubos norma BWG (Birmingham wire
gauge) : mais comuns os de ¾ e 1 in com BWG 16
• Para a carcaça: tubos de aço IPS até 24 in.
Trocador de calor casco e tubos
• Vantagem:
–Maior área de troca térmica
–Menor espaço ocupado–Menor espaço ocupado
• Desvantagem:
–Manutenção e limpeza dificultadas
Trocador de calor casco e tubos
Trocador de calor 1-1
Trocador de calor 1-2
Trocador de calor 2-2
Trocador de calor casco e tubos
SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER NEN-TYPE [SaveYouTube.com].flv
HEAT EXCHANGER [SaveYouTube.com].flv
Trocador cosmosfloworks prt B [SaveYouTube.com].flv
Trocador de calor de placas
Fundamentos da transferência de calor
Balanço de energia:
WQEpEcH ±±=∆+∆+∆
)( 12 hhwq −= w= vazão mássica
h1 e h2 = entalpias por unidade de massa da 
corrente na entrada e saída
Escrevendo a equação para cada fluido escoando no trocador de calor tem-se:Escrevendo a equação para cada fluido escoando no trocador de calor tem-se:
)( 12 qqqq hhwq −=
)( 12 ffff hhwq −=
Para o fluido quente
Para o fluido frio
Se desprezarmos as perdas de calor para o ambiente, então o calor cedido por um fluido
passa a ser igual ao calor recebido pelo outro fluido.
qf qq −= Convenção: recebe calor qf>0cede calor qq<0
)()( 2112 qqqfff hhwhhw −=−
Fundamentos da transferência de calor
• Se não houver a mudança de fases nos fluidos ocorrerá apenas troca de calor sensível, 
então:
)()( 2112 TTcpwttcpw qqff −⋅⋅=−⋅⋅ Obs: T para a corrente quente
t para a corrente fria
• Se houver mudança de fase em um dos fluidos ocorrerá a troca de calor latente, então:
λ⋅=−⋅⋅ qff wttcpw )( 12 λ = calor latente de vaporização
• Se vapor entrar superaquecido e sair líquido resfriado teremos calor sensível e latente 
envolvidos na troca, então:
)]()([)( 2112 TTcpTTcpwttcpw satqsatVqff −++−⋅⋅=−⋅⋅ λ
Vapor Líquido
Trocadores de calor
Um parâmetro muito importante em trocadores de calor (projeto) é a área de troca térmica
ou transferência de calor
Área de troca térmica e coeficiente global de transferência de calor
Exemplo: trocador de calor duplo tubo
- Transferência de calor por condução (parede)
- Transferência de calor por convecção (parede-fluido)
dr
dTAkq ⋅⋅−=
Isolado
k= condutividade
r2
r3
t1
- Transferência de calor por convecção (parede-fluido)
TAhq ∆⋅⋅=
Analisando o trocador de calor:
Convecção no tubo interno: )( 21 ttAhq ii −⋅⋅= Ai = área interna do tubo interno
Condução no tubo interno:
Isolado
h= coefic. de transf. de calor
dr
dTAkq ⋅⋅−=
dr
dT
rLkq ⋅⋅−= pi2 )(2ln 32
1
2 ttLk
r
rq −⋅⋅=





⋅ pi
Convecção no tubo externo: )( 43 ttAhq oo −⋅⋅=
r1
r2
t2
t3 t4
Ao = área externa do tubo interno
Trocadores de calor
Área de troca térmica e coeficiente global de transferência de calor
"asResistênci"
motriz" Força"
 fluxoou Taxa
∑
=
iiAh
q
tt =− 21
Lk
rrq
tt
pi2
)/ln( 12
32
⋅
=−
o
o
A
Aq
AhLk
rr
Ah
tt
×=
++
−
1
2
)/ln(1 12
41
pi
ooAh
q
tt =− 43
ooii AhLkAh
++
2pi
o
o
ii
o
o
hLk
rrA
Ah
A
TAq 1
2
)/ln( 12 +⋅+
∆⋅
=
pi
TAUq o ∆⋅⋅=
o
o
ii
o
hLk
rrA
Ah
AU 1
2
)/ln(
1
12 +
⋅
+
=
pi
Coeficiente global de transferência de calor
LdA eo ⋅⋅= pi Ao = área externa do tubo internode = diâmetro externo do tubo interno
Trocadores de calor com passagem simples
Na equação q=UA∆T, ∆T é a diferença de temperatura e ela será uma temperatura menos a outra
quando temos variação de temperatura constante ao longo da superfície de aquecimento. No
caso de trocadores, a troca de calor ocorre ao longo do percurso e o valor de ∆T varia com a
posição. É preciso determinar um ∆T médio para determinar a troca de calor no aparato todo.
t1
t
Exemplo: trocador de calor duplo tubo em contracorrente
T1T2
t2
T
t
Terminal frio (∆t2) Terminal quente (∆t1)
Terminal quente ∆t1 = T1 –t2
Terminal frio ∆t2 = T2 – t1
Hipóteses: 1- vazões constantes; 2- perdas de calor desprezíveis; 3- calores específicos
constantes; 4- temperatura de cada fluido constante em qualquer seção transversal; 5- U
constante ao longo do trocador; 6- não há mudança de fase.
Trocadores de calor com passagem simples
Em um elemento de área dA, as temperaturas das correntes são T e t, então:
dAtUdq ⋅∆⋅=
dtdTtd
tTt
−=∆
−=∆
)(
A diferença de temperatura é:
dtcpwdTcpwdq ffqq =−=
dqcte
cpwcpw
cpwcpw
dq
cpw
dq
cpw
dq
td
ffqq
qqff
ffqq
.)( =







 +
−=
−
=
−
=∆
Se wq, wf, cpf e cpq são constantes então a relação de temperatura com q é linear e a variação
de ∆t também será:
q
tt
dq
td 21)( ∆−∆
=
∆
q
tt
dAtUtd 21)( ∆−∆
=
⋅∆⋅
∆ integrando
A
q
tt
t
t
U
21
2
1ln1 ∆−∆=





∆
∆
MLDTAU
t
t
ttAUq ⋅⋅=




















∆
∆
∆−∆
⋅⋅=
2
1
21
ln
Trocadores de calor com passagem simples
• Para operação em paralelo:
T1 T2
t1 T
T1
T2
t2
t2 q
t1
t2
Terminal quente ∆t1 = T1 –t1
Terminal frio ∆t2 = T2 – t2






−
−
−−−
=
22
11
2211
ln
)()(
tT
tT
tTtTMLDT
Trocadores de calor com passagem simples
• Para operação em contracorrente:
T
T1
T2
t2
T1T2
t1
q
t1






−
−
−−−
=
12
21
1221
ln
)()(
tT
tT
tTtTMLDT
t2
Terminal quente ∆t1 = T1 –t2
Terminal frio ∆t2 = T2 – t1
Trocadores de calor
Observações:
1- MLDT(contracorrente) > MLDT (paralelo)
2- Quando ∆t1 = ∆t2; MLDT = ∆t1 = ∆t2
3- U constante ao longo da trajetória é uma aproximação;
4- hi e ho são estimados a partir de correlações empíricas e compõem o coeficiente 
global U.
O uso prolongado dos trocadores de calor implica na formação de depósitos sobre as
partes internas e externas do(s) tubo(s). Ocorre a formação da chamada incrustação. Apartes internas e externas do(s) tubo(s). Ocorre a formação da chamada incrustação. A
incrustação aumenta a resistência a transferência de calor.
d
p
R
UU
+=
11
Up= coeficiente global de polimento (sem incrustação)
Rd = resistência devido a incrustação (alguns valores encontram-se tabelados)
Trocadores de calor de múltiplas passagens
A dedução de temperatura média vista para o trocador de calor duplo-tubo
também é válida para trocadores de calor casco e tubos com igual número de
passagens ( como 1-1, 2-2 etc). Em trocadores com diferentes números de
passagens no casco e tubos, uma das passagens do tubo estará em
contracorrente enquanto a outra em paralelo. Dessa forma, utiliza-se um fator
de correção (F).de correção (F).
enteContracorr
al
MLDT
tF Re∆=
Trocador 1-1 Trocador 1-2
F é obtido através de gráficos, entrando com os valores dos adimensionais R e S.
12
21
tt
TTR
−
−
=
11
12
tT
ttS
−
−
=
entecontracorrMLDTFAUq )(⋅⋅⋅=
Trocadores de calor de múltiplas passagens
Fator de correção para trocadores 1-2,4,6,8 etc.
Trocadores de calor de múltiplas passagens
Em trocadores de calor caso e tubos, tem-se uma grande quantidade
de tubos, o valor da área de troca térmica (A) fornece a área total de
troca de calor. Para determinar o número de tubos faz-se :
AN =
Ld
N
e
t
⋅⋅
=
pi
Nt = o número de tubos que constitui o trocador de calor
de = diâmetro externo dos tubos internos
L = comprimento do trocador de calor
Exercício
Um óleo cru que possui cp=2,3 KJ/KgK está sendo resfriado em um trocador de calor de
371,9 K para 349,7 K com vazão de 3630 Kg/h. A vazão da água que realiza o
resfriamento é 1450 Kg/h e entra a 288,6 K.
a) Calcular a temperatura de saída da água e a área de transferência de calor se o
coeficiente global de transferência de calor é igual a 340 W/m2K e a operação é em
contracorrente.contracorrente.
b) Repetir o exercício para operação em paralelo.
Dado: cp água = 4,187 KJ/KgK