12. Trocadores de Calor

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Trocadores de Calor 
Profª Fernanda Mazuco Clain 
Definição 
• Equipamentos usados para facilitar a 
transferência de calor entre dois ou mais 
fluidos em temperaturas diferentes; 
• Processos são comuns em muitas aplicações 
da Engenharia; 
• Podem ser utilizados na climatização de 
ambientes, produção de energia, recuperação 
de calor e no processo químico. 
 
Classificação 
 
• Processo de transferência de calor; 
 
• Disposição das correntes; 
 
• Tipo construtivo. 
 
Classificação 
Processo de transferência de calor 
• Contato direto 
• Contato indireto 
Classificação 
Processo de transferência de calor 
• Contato direto 
– Os fluidos se misturam; 
– Aplicações comuns de um trocador de contato 
direto envolvem transferência de massa além de 
transferência de calor; 
– São alcançadas taxas de transferência de calor 
muito altas; 
– Sua construção é relativamente barata. 
Classificação 
Processo de transferência de calor 
• Contato direto 
Classificação 
Processo de transferência de calor 
• Contato indireto 
– Podem ser de transferência direta ou de 
armazenamento; 
– Os de transferência direta há um fluxo contínuo de 
calor do fluido quente ao frio através de uma 
parede que os separa. Não há mistura entre eles, 
pois cada corrente permanece em passagens 
separados. Este trocador é designado como 
Recuperador. 
 
Classificação 
Processo de transferência de calor 
• Contato indireto – Transferência direta 
Classificação 
Processo de transferência de calor 
• Contato indireto 
– No trocador de armazenamento, os ambos fluidos 
percorrem alternativamente as mesmas 
passagens. A superfície de transferência de calor é 
uma estrutura chamada matriz. 
– O fluido quente atravessa a superfície de 
transferência de calor e a energia é armazenada 
na matriz. Posteriormente, o fluido frio passa 
pelas mesmas passagens e a matriz “libera” a 
energia térmica. 
Classificação 
Processo de transferência de calor 
• Contato indireto 
– Este trocador também é chamado regenerador. 
– Podem ser dinâmicos ou estáticos. 
– Os estáticos não possuem partes móveis e 
consistem em uma matriz através da qual passa 
alternadamente os fluidos quentes e frios. 
Classificação 
Processo de transferência de calor 
• Contato indireto – Armazenamento 
Classificação 
Disposição das correntes 
• Correntes Paralelas 
– Os fluidos quente e frio entram na mesma 
extremidade do trocador de calor e fluem na 
mesma direção. 
Classificação 
Disposição das correntes 
• Contracorrente 
– Os fluidos quente e frio entram em extremidades 
opostas do trocador de calor e fluem em direções 
opostas. 
Classificação 
Disposição das correntes 
• Corrente cruzada 
– Os fluidos quente e frio entram em extremidades 
opostas do trocador de calor e fluem em direções 
opostas. 
Classificação 
Disposição das correntes 
• Escoamento Multipasse 
– Empregada para intensificar a troca térmica; 
– Muito usada nos trocadores tipo casco e tubo. 
Classificação 
Disposição das correntes 
• Escoamento Multipasse 
Classificação 
Disposição das correntes 
• Escoamento Multipasse 
Classificação 
Tipo Construtivo 
• Duplo tubo 
• Casco e tubo 
• Placa 
 
Classificação 
Tipo Construtivo 
• Duplo tubo 
– Dois tubos concêntricos, um inserido dentro do 
outro; 
– Um dos fluidos escoa pelo tubo interno e o outro 
pela parte anular entre tubos; 
– Este é talvez o mais simples de todos os tipos de 
trocador de calor pela fácil manutenção envolvida. 
É geralmente usado em aplicações de pequenas 
capacidades. 
Classificação 
Tipo Construtivo 
• Duplo tubo 
Classificação 
Tipo Construtivo 
• Casco e tubos 
– Casco e tubos é construído com tubos e uma 
carcaça; 
– Um dos fluidos passa por dentro dos tubos, e o 
outro pelo espaço entre a carcaça e os tubos; 
– São os mais usados para quaisquer capacidades e 
condições operacionais, tais como pressões e 
temperaturas altas, atmosferas altamente 
corrosivas, fluidos muito viscosos. 
Classificação 
Tipo Construtivo 
• Casco e tubos 
Classificação 
Tipo Construtivo 
• Casco e tubos 
Classificação 
Tipo Construtivo 
• Placas 
– São construídos com placas planas lisas ou com 
alguma forma de ondulações; 
– Geralmente, este trocador não pode suportar 
pressões muito altas, comparado ao trocador 
tubular equivalente; 
– São trocadores de calor compactos. 
Classificação 
Tipo Construtivo 
• Placas 
 
Classificação 
Tipo Construtivo 
• Placa aletada 
– Aletas planas ou onduladas são separadas por 
placas planas; 
– Há um aumento significativo da compacticidade 
(relação entre área e volume do trocador); 
– Correntes cruzadas, contracorrente ou correntes 
paralelas são arranjos facilmente obtidos; 
– Muito empregados em trocas gás-gás. 
Classificação 
Tipo Construtivo 
• Placa aletada 
 
Classificação 
Tipo Construtivo 
• Tubo aletado 
– São geralmente construídos com tubos cilíndricos 
ou chatos onde são instaladas aletas; 
– Suportam altas pressões; 
– Usados em turbinas a gás, reatores nucleares, 
automóveis, refrigeração, eletrônica, etc. 
 
 
Classificação 
Tipo Construtivo 
• Tubo aletado 
 
Critérios de Seleção 
Gerais 
• Desempenho Térmico; 
• Desempenho operacional; 
• Manutenção; 
• Flexibilidade operacional; 
• Custo; 
• Perda de carga; 
• Limitações dimensionais. 
 
Critérios de Seleção 
Tipo de Equipamento 
• Casco e tubos: 
– Baixo custo por unidade de área de troca térmica; 
– Grande variedade de tamanhos e tipos; 
– Inflexibilidade construtiva. 
Critérios de Seleção 
Tipo de Equipamento 
• Duplo tubo: 
– Construção simples; 
– Fácil limpeza; 
– Bom controle na distribuição de fluidos; 
– Alto custo por unidade de área de troca térmica; 
– Usados onde a área de troca térmica não 
ultrapassa 20 m². 
Critérios de Seleção 
Tipo de Equipamento 
• Placas 
– Disposição das placas permite altos coeficientes 
de transferência de calor; 
– Elevada resistência a depósitos; 
– Fácil limpeza; 
– Elevada perda de carga e limitação de pressão; 
– Usados em serviços onde a corrosão, limpeza e 
esterilização são problemas. 
Critérios de Seleção 
Tipo de Equipamento 
• Placas 
– Disposição das placas permite altos coeficientes 
de transferência de calor; 
– Elevada resistência a depósitos; 
– Fácil limpeza; 
– Elevada perda de carga e limitação de pressão; 
– Usados em serviços onde a corrosão, limpeza e 
esterilização são problemas. 
Coeficiente Global de Troca Térmica 
• Definido em função das resistências térmicas 
à convecção interna e externa à parede e 
condução na parede. 
R1 
 
R2 
 
R3 
 
Coeficiente Global de Troca Térmica 
𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣 =
1
ℎ. 𝐴
 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑑 =
𝐿
𝑘. 𝐴
 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑑 =
ln 𝑟𝑒 𝑟𝑖 
2. 𝜋. 𝑘. 𝐿
 
 
 
R1 
 
R2 
 
R3 
 
Coeficiente Global de Troca Térmica 
𝑅𝑡 = 𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3 
Para uma parede plana: 
𝑅𝑡 =
1
ℎ𝑒 . 𝐴𝑒
+
𝐿
𝑘. 𝐴
+
1
ℎ𝑖 . 𝐴𝑖
 
 
Em um tubo: 
𝑅𝑡 =
1
ℎ𝑒 . 𝐴𝑒
+
ln 𝑟𝑒 𝑟𝑖 
2. 𝜋. 𝑘. 𝐿
+
1
ℎ𝑖 . 𝐴𝑖
 
 
 
Coeficiente Global de Troca Térmica 
𝑞 =
∆𝑇
𝑅𝑡
 
Para uma parede plana: 
𝑞 =
∆𝑇
1
ℎ𝑒 . 𝐴𝑒
+
𝐿
𝑘. 𝐴 +
1
ℎ𝑖 . 𝐴𝑖
 
 
Em um tubo: 
𝑞 =
∆𝑇
1
ℎ𝑒 . 𝐴𝑒
+
ln 𝑟𝑒 𝑟𝑖 
2. 𝜋. 𝑘. 𝐿 +
1
ℎ𝑖 . 𝐴𝑖
 
Coeficiente Global de Troca Térmica 
𝑞 = 𝑈. 𝐴. ∆𝑇 
 
Para umaparede plana: 
 
𝑈 =
∆𝑇
1
ℎ𝑒
+
𝐿
𝑘 +
1
ℎ𝑖
 
 
Coeficiente Global de Troca Térmica 
Para um tubo: 
𝑈𝑖 =
∆𝑇
1
ℎ𝑒 
+
𝐴𝑒 . ln
𝑟𝑒
𝑟𝑖 
2. 𝜋. 𝑘. 𝐿 +
𝐴𝑒
ℎ𝑖 . 𝐴𝑖
 
 
𝑈𝑒 =
∆𝑇
𝐴𝑖
ℎ𝑒 . 𝐴𝑒
+
𝐴𝑖 . ln
𝑟𝑒
𝑟𝑖 
2. 𝜋. 𝑘. 𝐿 +
1
ℎ𝑖 
 
Incrustação 
• Ao longo da operação normal de trocadores 
de calor, as superfícies estão sujeitas à 
deposição de impurezas dos fluidos, à 
corrosão ou a outras reações entre o fluido e o 
material que compõe a parede; 
 
• Isto, aumenta a resistência à transferência de 
calor entre os fluidos, reduzindo sua 
eficiência; 
 
Incrustação 
• Causa danos econômicos devido: 
 
– Ao elevado custo de uma instalação em virtude 
do superdimensionamento; 
– À perda de energia devido a falta de eficiência 
térmica; 
– Aos custos para limpeza periódica; 
– Às perdas de produção durante a limpeza. 
Incrustação 
Incrustação por precipitação 
• Cristalização da substância dissolvida na 
solução sobre superfície de transferência de 
calor. 
 
Incrustação por sedimentação 
• Acúmulo de sólidos finamente divididos, 
suspensos no fluido do processo, sobre a 
superfície de transferência de calor 
 
Incrustação 
Incrustação por reação química 
• Formação de depósitos sobre a superfície de 
transferência de calor por reação química. 
 
Incrustação por corrosão 
• Acúmulo de produtos da corrosão sobre a 
superfície de transferência de calor. 
 
Incrustação 
Incrustação biológica 
• Depósitos de microrganismos sobre a 
superfície de transferência de calor. 
 
Incrustação por solidificação 
• Cristalização de um líquido puro, ou 
componente da fase líquida sobre a superfície 
de transferência de calor. 
 
Incrustação 
Incrustação por Carbonato 
de Cálcio 
 
Incrustação 
Incrustação por Carbonato de Cálcio 
 
Incrustação 
Formação de tubérculos 
 
Incrustação 
Depósito biológico 
 
Fouling 
Incrustação 
Corrosão 
 
Fator de Incrustação 
• O efeito global da incrustação é representado 
por um fator de incrustação, ou resistência de 
incrustação ou resistência de depósito (Rd); 
• Esta resistência deve ser considerada 
juntamente com as outras resistências; 
• Os fatores de incrustação são obtidos 
experimentalmente; 
• O U deve ser determinado para o trocador 
limpo e sujo. 
 
 
Fator de Incrustação 
• O fator de incrustação pode ser determinado: 
 
𝑅𝑑 =
1
𝑈𝑙𝑖𝑚𝑝𝑜
−
1
𝑈𝑠𝑢𝑗𝑜
 
 
Fator de Incrustação 
Fator de Incrustação 
Distribuição de Temperatura 
• Trocador com um passe em contracorrente 
Distribuição de Temperatura 
• Trocador com um passe em contracorrente 
Distribuição de Temperatura 
• Trocador com um passe e correntes paralelas 
Distribuição de Temperatura 
• Trocador com dois passes nos tubos 
Distribuição de Temperatura 
• Trocador com correntes cruzadas 
Referências Bibliográficas 
• Özisik, M. N.: Transferência de Calor – Editora 
Guanabara Koogan, 1990; 
• Kakaç, S.; Bergles, A. E.: Heat Exchanger: 
Selection, Rating and Thermal design – Second 
edition – McGraw-Hill Books Company, 1981; 
• Incropera, F. P.; Witt, D. P.: Fundamentos de 
transferência de calor e massa – McGraw-Hill 
Books Company, 2006.