Trocador de calor casco tubos operando em escoamentos paralelo e contracorrente

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FUNCIONAMENTO DE UM TROCADOR DE CALOR DE CASCO E TUBOS EM ESCOAMENTO PARALELO E CONTRACORRENTE 
Disciplina de Laboratório de Engenharia Química II, Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões – URI Santo Ângelo 
FUNCIONAMENTO DE UM TROCADOR DE CALOR DE CASCO E TUBOS 
EM ESCOAMENTO PARALELO E CONTRACORRENTE 
 
Emanuele dos Santos Silva1*, Ariele dos Santos Pirola1, Bruna Luísa Weschenfelder1, Gabriela 
Menin1, Isaac dos Santos Nunes1 
 
1Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões, URI-Santo Ângelo, Departamento 
de Engenharias e Ciência da Computação, Curso de Engenharia Química 
*emanuele.silva1@hotmail.com 
 
 
RESUMO 
Um trocador de calor apresenta grande importância em indústrias e diversas aplicações na 
engenharia, pois o uso eficiente da energia é um fator decisivo na escolha de um processo 
econômico. O modelo de trocador de calor de casco e tubos é considerado um dos mais utilizados 
por reaproveitar cargas térmicas entre suas correntes de processo, podendo operar em fluxos 
contracorrentes e paralelos. Neste trabalho, foram analisados os efeitos da variação da vazão e da 
temperatura ao longo do trocador de calor, em condições de escoamento contracorrente e paralelo. 
Mediante estas análises em ambas condições de escoamento, pode-se verificar grande 
semelhança no comportamento das temperaturas ao longo do trocador de calor, podendo assim, 
comparar com a literatura as configurações relacionadas a estes escoamentos e comprovar o 
comportamento destas configurações. 
 
Palavras-chave: trocador de calor, casco e tubos, contracorrente, paralelo. 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
A utilização da troca de calor entre 
fluidos de diferentes temperaturas é 
comumente utilizada em diversas 
aplicações da engenharia, principalmente 
em processos industriais que envolvam a 
manipulação e o reaproveitamento de 
cargas térmicas entre correntes de 
processo (CHAVES et al. 2015). 
Modelos comuns de trocadores de 
calor estão presentes em nosso cotidiano 
doméstico, como exemplo as geladeiras e 
aparelhos de ar condicionados, que têm por 
objetivo o reaproveitamento da energia 
térmica presente nos fluidos quentes 
(MARTINS et al. 2014). 
Segundo o estudo de Antunes Junior 
et al (2016), o funcionamento dos 
trocadores de calor consistem em transmitir 
energia térmica de um sistema para sua 
vizinhança, ou entre o seu próprio sistema, 
e podem ser classificados pela natureza de 
sua transferência. Trocadores de calor de 
contato indireto utilizam a transferência de 
calor de forma contínua entre os dois 
fluidos, sendo um quente e o outro frio, 
através da parede que os separa (assim, 
não ocorrendo a mistura dos dois fluidos). 
Um trocador de calor modelo casco 
e tubos consiste em um tubo externo 
(casco), composto por um feixe de tubos 
internos, havendo a troca de calor por meio 
de convecção ou condução. Neste tipo de 
trocador de calor, o fluido quente pode 
passar pelos tubos internos enquanto o 
fluido frio passa pelo tubo externo, ou vice-
versa (MARTINS et al. 2014). De Aguiar 
 
 
FUNCIONAMENTO DE UM TROCADOR DE CALOR DE CASCO E TUBOS EM ESCOAMENTO PARALELO E CONTRACORRENTE 
Disciplina de Laboratório de Engenharia Química II, Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões – URI Santo Ângelo 
(2014), complementa que o fluxo da 
corrente dos fluidos quente e frio, podem 
ocorrer de modo paralelo ou contracorrente. 
Uma das dificuldades relacionadas a 
avaliação da eficiência de um trocador de 
calor, encontra-se no cálculo do coeficiente 
global de transferência de calor. A variação 
deste coeficiente ao longo do trocador 
depende diretamente da posição no 
equipamento e da temperatura local, 
podendo ser calculado a partir de 
correlações empíricas ou com a ajuda de 
programas computacionais (SOUZA, 2013). 
O método utilizado neste trabalho 
para determinar o melhor funcionamento do 
trocador de calor analisado, é o LMDT 
(método das médias logarítmicas das 
diferenças de temperatura). Amplamente 
utilizado na análise de trocadores de calor, 
particularmente no dimensionamento. 
 
2. MATERIAL E MÉTODO 
 
Este trabalho foi realizado em um 
trocador de calor de casco-tubos, com as 
direções relativas do escoamento 
especificadas em fluxos contracorrente e 
paralelos. 
Inseriram-se os dados de operação 
desejados no processo, os quais basearam-
se na capacidade de operação da planta 
piloto do trocador de calor, apresentando área 
de troca térmica de 0,1 m². 
Em seguida, a temperatura de 
entrada do fluido de aquecimento teve ajuste 
para 50 °C e pode-se dar início ao 
experimento no trocador de calor operando 
em fluxo contracorrente, e após, fluxo 
paralelo. As válvulas de controle dos fluxos 
quente e frio foram ajustadas de acordo com 
cada experimento, a partir das diferentes 
variações de vazões de entrada. 
Anotaram-se as temperaturas de 
entrada e saída dos fluidos para as 
configurações contracorrente e paralelo. As 
Tabelas 1 e 2 apresentam estes dados, 
respectivamente. 
 
 
 
Tabela 1 – Dados dos fluidos quente e frio em fluxo 
contracorrente. Fonte: os autores. 
 
 
Tabela 2 – Dados dos fluidos quente e frio em fluxo 
paralelo. Fonte: os autores. 
 
 
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 
 
Com os dados de temperatura 
obtidos em cada experimento ao longo do 
trocador de calor, pode-se fazer uma 
comparação entre as configurações de fluxo, 
contracorrente e paralelo, representadas nas 
Figuras 1 e 2, respectivamente. 
 
 
 
Fluxo 
Quente 
(L/s) 
Tquente 
Entrada 
(°C) 
Tquente 
Saída 
(°C) 
 
Fluxo 
Frio 
(L/s) 
Tfrio 
Entrada 
(°C) 
Tfrio 
Saída 
(°C) 
20 50,1 40,5 20 23,6 26,9 
20 50 32,4 15 24,2 30,2 
20 50,1 33,9 10 23,3 29,4 
15 50 33,8 20 23,8 30 
10 49,7 34,5 20 23,7 29,2 
Fluxo 
Quente 
(L/s) 
Tquente 
Entrada 
(°C) 
Tquente 
Saída 
(°C) 
 
Fluxo 
Frio 
(L/s) 
Tfrio 
Entrada 
(°C) 
Tfrio 
Saída 
(°C) 
20 50,2 36,3 20 23,9 29,2 
20 50 32,8 15 24,2 29,8 
20 49,9 33 10 23,3 29,2 
15 50 34,7 20 23,6 30 
10 49,8 34,5 20 23,7 29,2 
 
 
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Disciplina de Laboratório de Engenharia Química II, Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões – URI Santo Ângelo 
Figura 1- Temperatura ao longo do trocador de calor, 
configuração em contracorrente. Fonte: os autores. 
 
 
 
Figura 2- Temperatura ao longo do trocador de calor, 
configuração em paralelo. Fonte: os autores. 
 
Com a análise destas Figuras 1 e 2, 
pode-se admitir que as temperaturas ao longo 
do trocador de calor apresentaram 
semelhança com as configurações destes 
escoamentos citadas na literatura, onde na 
configuração contracorrente os fluidos entram 
por extremidades opostas no trocador de 
calor, enquanto na configuração paralela os 
fluidos entram pela mesma extremidade no 
trocador. 
 No escoamento de configuração 
contracorrente pode ocorrer que a 
temperatura do fluido frio na saída possa ser 
maior do que a temperatura do fluido quente 
na saída, mas na configuração de fluxo 
paralelo isso não pode ocorrer. O fluxo de 
calor transferido entre os fluidos em um 
trocador é diretamente proporcional à 
diferença de temperatura média entre estes, 
uma vez que a variação de temperatura ao 
longo do trocador não é linear. 
 Para encontrar a diferença média de 
temperatura entre os fluidos pode-se utilizar o 
método da média logarítmica das diferenças 
de Temperatura (LMDT),baseado na 
Equação 1. 
∆𝑇𝑙𝑛 = 
[(𝑇𝑞𝑒 − 𝑇𝑓𝑒) − (𝑇𝑞𝑠 − 𝑇𝑓𝑠)]
[𝑙𝑛 (
(𝑇𝑞𝑒 − 𝑇𝑓𝑒)
(𝑇𝑞𝑠 − 𝑇𝑓𝑠)
]
 
 
Equação 1 
Com os dados das temperaturas das 
Tabelas 1 e 2, pode-se calcular a média 
logarítmica das diferenças de temperatura 
para os dois tipos de escoamentos. Os 
valores destas médias de diferenças de 
temperatura estão representados na Tabela 
3. 
 
Tabela 3 – Médias logarítmicas das diferenças de 
temperatura (LMTD). Fonte: os autores. 
Fluxo 
Quente 
(L/s) 
Fluxo 
Frio 
(L/s) 
 
LMDT 
(Contracorrente) 
 
LMDT 
(Paralelo) 
20 20 16,21 14,66 
20 15 13,15 10,59 
20 10 15,09 11,71 
15 20 14,43 12,57 
10 20 15,13 13,04 
 
Com as médias logarítmicas 
determinadas, pode-se encontrar os valores 
de calor trocado durante os escoamentos, 
assim como os coeficientes globais de 
transferência de calor para os fluxos 
contracorrente e paralelo. O valor de calor 
específico utilizado para a água na faixa de 
temperatura de 23°C a 50°C, obteve-se a 
partir dos estudos de Souza (2013), como 
4,178 KJ/Kg.°C. Para a determinação do calor 
trocado durante os escoamentos utilizou-se 
as Equações 2 e 3. 
 
𝑄𝑞 = ṁ𝑞 𝑥 𝐶𝑝𝑞 𝑥 (𝑇𝑞𝑒 – 𝑇𝑞𝑠) Equação 2 
𝑄𝑓 = ṁ𝑓 𝑥 𝐶𝑝𝑓 𝑥 (𝑇𝑓𝑠 – 𝑇𝑓𝑒) Equação 3 
E para encontrar os valores dos 
coeficientes globais de transferência de calor 
para cada fluxo, utilizou-se a Equação 4. 
 
𝑄 = 𝑈 𝑥 𝐴 𝑥 ∆𝑇𝑙𝑛 Equação 4 
 
 
 
 
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Disciplina de Laboratório de Engenharia Química II, Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões – URI Santo Ângelo 
Os resultados obtidos para o calor 
trocado e o coeficiente global de transferência 
de calor para o escoamento contracorrente e 
paralelo, estão representados nas Tabelas 4 
e 5, respectivamente. 
 
Tabela 4 – Valores de calor trocado e coeficiente global 
de transferência de calor para fluxo em contracorrente. 
Fonte: os autores. 
 
 
Tabela 5 – Valores de calor trocado e coeficiente global 
de transferência de calor para fluxo em paralelo. 
Fonte:os autores. 
 
Nota-se na Tabela 4 que o 
experimento que utilizou fluido quente com 
fluxo de 20 L/s e fluido frio com fluxo de 15 
L/s, apresentou maior quantidade de calor 
trocado em comparação aos demais 
experimentos realizados em modo 
contracorrente, assim como, relativamente 
um maior coeficiente de global de troca 
térmica. 
Como analisado na literatura, em um 
trocador de calor em configuração 
contracorrente a diferença de temperatura 
entre os fluidos não varia muito como ocorre 
no fluxo em paralelo, o que acarreta em uma 
diferença média maior entre os pontos de 
temperatura obtidos, como visto na Tabela 3 
das médias logarítmicas de diferença de 
temperatura. 
 
A partir dos valores obtidos no fluxo 
de corrente em paralelo, percebeu-se que no 
fluido quente com fluxo de 10 L/s, obteve-se 
o menor índice de coeficiente global de 
transferência de calor. Sendo assim pode-se 
dizer que, à medida que o valor do fluxo 
quente apresenta-se maior que o fluxo de 
fluido frio tem-se um aumento da diferença 
de temperatura média entre os fluidos 
garantido uma maior troca térmica, e o 
aumento do coeficiente global de troca 
térmica. 
Nestes casos analisados de 
configuração de fluxo em contracorrente e 
paralelo, é possível verificar que, à medida 
que se elevou o fluxo quente para 20 L/s e 
fixou-se o fluxo frio em 15 L/s o coeficiente 
global de transferência de calor encontrado 
para a troca térmica de cada configuração, 
apresentou maior índice em relação aos 
demais pares de fluxos deste experimento. 
Logo, o fluxo dos fluidos que passa 
em um trocador de calor torna-se diretamente 
responsável pela quantidade de troca de 
calor obtida pelo equipamento, sendo que o 
melhor resultado para troca térmica neste 
caso compreendeu um fluxo quente maior 
que o fluxo frio. 
Ao verificar trabalhos já realizados 
com parâmetros semelhantes aos que 
utilizamos nestes experimentos, pode-se 
declarar que os resultados obtidos foram 
satisfatórios, compreendendo a 
configuração contracorrente com melhor 
troca térmica. 
Ao analisar os estudos de Chaves 
et al. (2015) o qual apresenta parâmetros, 
semelhantes ao deste trabalho, pode-se 
concluir que no fluxo contracorrente a 
diferença de temperatura entre os fluidos 
apresentou valores maiores, quando 
 Fluido Quente Fluido Frio 
Fq 
(L/s) 
Qq 
(kW) 
 
U 
(Kw/m².°C) 
 
Ff 
(L/s) 
Qf 
(kW) 
 
U 
(Kw/m².°C) 
 
20 1311,89 808,93 20 275,74 138,67 
20 1470,65 1117,68 15 376,02 285,77 
20 1353,67 897,06 10 254,86 168,89 
15 1015,25 703,56 20 518,07 359,02 
10 635,05 419,59 20 459,58 303,65 
 Fluido Quente Fluido Frio 
Fq 
(L/s) 
Qq 
(kW) 
 
U 
(Kw/m².°C) 
 
Ff 
(L/s) 
Qf 
(kW) 
 
U 
(Kw/m².°C) 
 
20 1161,48 792,15 20 442,86 302,03 
20 1437,23 1356,39 15 350,95 331,20 
20 1412,16 1205,32 10 246,50 210,39 
15 958,85 762,56 20 534,78 425,30 
10 639,23 489,94 20 459,58 352,24 
 
 
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Disciplina de Laboratório de Engenharia Química II, Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões – URI Santo Ângelo 
comparada à configuração em paralelo 
onde os fluidos entram pela mesma 
extremidade do trocador. 
Já os estudos de Souza (2013), 
complementam que na configuração 
contracorrente a transferência de calor é 
mais eficiente em relação à configuração 
paralela, apresentando maiores valores de 
troca térmica em consequência de uma 
maior diferença de temperaturas, ao longo 
do trocador de calor. Assim, como no fluxo 
contracorrente os fluidos entram no trocador 
de calor por lados opostos, a eficiência 
deste escoamento está diretamente 
relacionada a realização da transferência 
por maior parte do calor do meio quente. 
 
4. CONCLUSÃO 
 
Com as análises realizadas a partir 
de diferentes vazões de fluidos quente e 
frio, nas configurações de escoamento em 
contracorrente e paralelo, tornou-se 
possível obter as distribuições de 
temperatura para cada escoamento ao 
longo do trocador de calor. Ao plotar as 
temperaturas analisadas em função da 
posição no trocador, estas apresentaram 
coerência com os dados encontrados na 
literatura para ambos os casos, no que se 
refere aos modelos de gráfico para fluxo 
contracorrente e paralelo. 
As temperaturas ao longo do 
trocador de calor, assim como os valores 
obtidos para as trocas térmicas de ambas 
as configurações foram semelhantes, visto 
que isto pode ter ocorrido em função do 
tamanho do trocador de calor, como 
também em consequência dos pares de 
valores utilizados nas vazões das correntes 
dos fluidos que foram os mesmos. 
 Em relação à maior troca térmica, o 
fluxo contracorrente apresentou maiores 
valores de médias logarítmicas das 
diferenças de temperatura, assim como o 
maior valor de quantidade de calor trocado 
no experimento com fluxo quente de 20 L/s 
e fluxo frio de 15 L/s, apresentando um 
maior rendimento. Sendo assim, comparado 
a literatura, este experimento comprova que 
o fluxo contracorrente apresenta maior 
eficiência de troca térmica em relação a 
configuração paralela, diante da realização 
do fluxo dos fluidos ocorrerem em sentidos 
opostos no trocador de calor ocasionando 
maior toca térmica por parte do fluido 
quente. 
 
 
NOMENCLATURA 
 
 
REFERÊNCIASCHAVES, F. J. F.; MISAEL, C. G. A.; 
FERNANDES, C. V.; SANTOS, J. S. B.; 
CAVALCANTE, J. N. A.; VASCONCELOS, S. 
F.; “Análise técnica da eficiência de um 
trocador de calor do tipo casco-tubos”, p. 1-2. 
5º Encontro Regional De Química e 4º 
Encontro Nacional De Química [Blucher 
Chemical Engineering Proceedings, v. 3, n. 
1]. Paraíba: blucher, 2015. 
 
DE AGUIAR, E. L.; “Avaliação preliminar 
do desempenho de um trocador de calor 
piloto para uma indústria produtora de 
extratos vegetais”, 2014; p. 44. 
Universidade Federal Do Rio Grande Do Sul 
Departamento De Engenharia Química, 
Diplomação Em Engenharia Química, Porto 
Alegre. 
∆Tln 
Média logarítmica da 
diferença de temperatura [°C] 
Tqe 
Temperatura de entrada 
fluido quente 
[°C] 
Tqs 
Temperatura de saída 
fluido quente 
[°C] 
Tfe 
Temperatura de entrada 
fluido frio [°C] 
Tfs 
Temperatura de saída fluido 
frio [°C] 
Q Calor trocado [KW] 
Cp Calor específico [
𝐾𝐽
𝐾𝐺. °𝐶
] 
U 
Coeficiente global de 
transferência de calor [
𝐾𝑊
𝑚². °𝐶
] 
A Área de troca térmica [m²] 
 
 
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Disciplina de Laboratório de Engenharia Química II, Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões – URI Santo Ângelo 
 
JUNIOR, C. A.; MONTEGUTTI, M. C.; 
HAUS, T. L.; “Dimensionamento de um 
trocador de calor casco e tubo através do 
método de Bell-Delaware para o 
aproveitamento da energia térmica da 
água quente de um forno a indução”, 
2016; p. 168. Memorial de TCC- Caderno de 
Graduação Núcleo de Pesquisa Acadêmica. 
Fae Centro Universitário, Curitiba. 
 
MARTINS, L. F.; SILVA, M. A.; BEGNINI, M. 
L.; “Obtenção de trocador de calor casco e 
tubo”, 8º EnTEC- Encontro de tecnologia 
da Uniube. p. 1-2, UBERABA, 2014. 
 
SOUZA, M. S.; “Análise térmica de um 
trocador de calor do tipo casco e tubos 
para resfriamento do resíduo de uma 
unidade de destilação atmosférica”, 2013; 
p. 55. Universidade Federal Do Rio De 
Janeiro, Diplomação Em Engenharia 
Mecânica, Rio De Janeiro.