TRABALHO TROCADOR DE CALOR.

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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ – UNIVALI 
CENTRO DE CIÊNCIAS DA TERRA E DO MAR - CTTMAR 
CURSO DE CONSTRUÇÃO NAVAL 
 
 
 
 
 
 
 
TROCADORES DE CALOR 
 
 
 
 
 
 
Trabalho de pesquisa submetido à 
Universidade do Vale do Itajaí – 
UNIVALI, para obtenção da media 
semestral da matéria de Fenômenos 
de Transportes. 
 
 
SUELLEN FRANCINI PASIANI 
 
 
 
 
 
 
 
 
Profª Simone Cavenati 
Itajaí (SC), dezembro de 2018. 
TROCADORES DE CALOR 
 
1 – Forma introdutória de trocador de calor 
 
Um trocador de calor ou permutador 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 permutador de calor é normalmente 
inserido num processo com a finalidade de arrefecer (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. Em muitos textos em inglês é abreviado para HX (heat exchanger). 
 
Os trocadores de calor são equipamentos de extrema importância para a 
engenharia. Foram desenvolvidos muitos tipos de trocadores de calor para diversos 
campos da indústria, como usinas elétricas, usinas de processamento químico, ou 
em aquecimento e condicionamento de ar. Existem também aplicações domésticas 
bastantes comuns como em geladeiras e ar condicionados, ou seja, O trocador de 
calor é um equipamento que induz a troca de calor entre dois fluidos de diferentes 
temperaturas, sendo aplicada em diversas áreas da engenharia, permitindo 
aquecimento da água, conversão de energia, condicionamento de ar, conservação 
de alimentos, sistemas de resfriamento, eliminação de poluentes 
 
Esse equipamento foi projetado para trocar calor entre fluidos, segundo as 
leis da termodinâmica, e, portanto proporcionar o reaproveitamento da energia 
térmica presente nos fluidos quentes. Dessa forma, ao conservar a energia, os 
trocadores de calor tornam-se importantes ferramentas para a preservação do meio 
ambiente. 
 
Esse trocador foi introduzido no mercado na década de 30 para atender às 
exigências de limpeza e higiene das empresas de alimentos e medicamentos, pelo 
fato de serem facilmente desmontáveis, limpáveis e inspecionáveis. 
 
Quanto à transferência, os trocadores de calor podem ser divididos em 
Recuperadores (onde o contato é direto) e Regeneradores (onde a transferência de 
calor é indireto), além de o contato poder ser Direto ou Indireto, podem ter 2, 3 ou n 
correntes. Quanto à razão área de troca e volume, os trocadores podem ser Micro 
Trocador (≥10000m3/m2), Trocador Laminar (≥3000m3/m2), Trocador Compacto 
(≥700m3/m2), Trocador Não-Compacto (<700m3/m2). Quanto à construção eles são 
classificados em: Tubular, Placas, Aletados e Regenerativos, falarei aqui sobre o de 
placas. 
 
O trocador de calor do tipo de placas é dotado de uma série de placas 
corrugadas, formado por duas passagens, uma com meio frio e outra com meio 
quente, passando um de cada lado das placas, um em oposição ao outro. Esse tipo 
de trocador não suporta altas pressões e temperaturas (até 1,5MPa e 150°C), porém 
possui uma grande capacidade de transmissão de calor, além de não ocupar 
grandes espaços físicos, permitindo pequenas vazões e grandes variações de 
temperaturas, radiadores de automóveis são exemplos de trocadores de calor de 
placas. 
 
São formados por várias placas metálicas de material dúctil, laminado e 
prensado e com grande resistência à corrosão, prensadas em um pedestal (em aço 
carbono com pintura anti corrosiva), essas placas possuem orifícios nos cantos que 
dá acesso à passagem dos fluidos e são seladas nas extremidades por juntas de 
elastômeros. 
 
O conjunto de placas é onde ocorrem as trocas de calor, enquanto nas rugas 
há turbulência, evitando regiões de incrustação. As juntas vedam as folgas entre as 
placas e delimitam os caminhos por onde as correntes devem passar. As placas 
podem ser de aço inox, titânio, e, se tiver probabilidade de ocorrer corrosão severa, 
podem ser de grafite ou polímeros. 
 
O fluxo do líquido dentro das placas se dá na forma de “passes”, que mudam 
toda vez que o líquido muda de sentido. O trocador de calor do tipo de placas tem 
como vantagens a limpeza, o rendimento térmico, a economia, a flexibilidade, a 
turbulência (que reduz as incrustações) e a prevenção de vazamentos. Porém, como 
desvantagem, não aguenta altas pressões e temperaturas, a perda de carga por 
atrito é alta, não são recomendados para gases e vapores e a dificuldade de 
dimensionamento. 
 
Um exemplo comum de trocador de calor é o radiador em um carro, no qual 
a fonte de calor, a água, sendo um fluido quente de refrigeração do motor, transfere 
calor para o ar fluindo através do radiador (i.e. o meio de transferência de calor). Em 
outras aplicações são usados para refrigeração de fluidos, sendo os mais comuns, 
óleo e água e são construídos em tubos, onde, normalmente circula o fluido 
refrigerante (no caso de um trocador para refrigeração). O fluido a ser refrigerado 
circula ao redor da área do tubo, isolado por outro sistema de tubos (similar a uma 
Serpentina (duto)) que possui uma ampla área geometricamente favorecida para 
troca de calor. 
 
O material usado na fabricação de trocadores de calor, geralmente possui 
um coeficiente de condutibilidade térmica elevado. Sendo assim, são amplamente 
utilizados o cobre e o alumínio e suas ligas. 
 
Dentro da teoria em engenharia, é um volume de controle, sendo que este 
equipamento normalmente opera em regime permanente, onde as propriedades da 
seção de um fluido não se altera com o tempo. 
 
A eficiência de um trocador de calor depende principalmente: 
 
 Do material utilizado para construção; 
 Da característica geométrica e 
 Do fluxo, temperatura e coeficiente de condutibilidade térmica dos 
fluidos em evidência. 
 
Genericamente, para melhorar a troca de calor, são colocados aletas em toda 
a área da tubulação. Estas aletas fazem com que o fluido se disperse em áreas 
menores, assim, facilitando a troca de calor. Aletas, consistem em células 
interligadas entre si, onde circula fluido. São construídas em materiais de excelente 
condutibilidade térmica. Seu uso, acarreta uma grande desvantagem em um sistema 
termodinâmico, pois reduzem drasticamente a pressão com relação a entrada e 
saída. A maioria dos trocadores de calor, utilizam tubos com geometrias que 
favorecem a troca de calor, onde internamente, há em sua área aletas. 
 
2 - O Trocador de Calor 
 
2.1 – Objetivo: 
O trocador de calor é um equipamento com a finalidade de realizar o processo 
de troca térmica entre dois sistemas, fluído quente e fluído frio. Essa troca pode ser 
feita entre sistemas separados ou misturando os fluídos. 
 
Este processo é amplamente aplicado em diversos setores da engenharia, 
como, por exemplo, em aquecedores, refrigeração, condicionamento de ar, 
recuperação de calor, usinas de geração de energia, plantas químicas, plantas 
petroquímicas, refinaria de petróleo, processamento de gás natural e tratamento de 
águas residuais. 
 
2.2 – Funcionamento: 
 
Existem três princípios diferentes em que se baseiam os trocadores de calor, 
sendo o último o mais comum na indústria, pois não há contato entre os dois fluídos, 
e assimpodem ser reaproveitados. Os demais possuem aplicações específicas. 
 
2.2.1 - Pela mistura de fluidos: 
 
Dois fluidos de temperaturas diferentes se misturam num único sistema, 
alcançando uma mesma temperatura final. Pode ocorrer tanto em ambiente aberto, 
quanto em sistema fechado. 
 
2.2.2 - Com armazenagem intermediária: 
 
Os fluidos quente e frio são escoados alternadamente na mesma passagem. 
Quando o fluido quente atravessa a passagem, o calor é armazenado na parede e 
no enchimento do trocador, em seguida o fluido frio atravessa o trocador de calor e 
absorve o calor armazenado. Geralmente esse método é usado em gases. 
 
2.2.3 - Através de uma parede que separa os fluidos: 
 
Os fluidos escoam no trocador sem contato direto, através de tubulações 
distintas, separadas por paredes de alta condutibilidade térmica. Geralmente essas 
paredes são feitas de metais, como o cobre e o alumínio, ou ligas metálicas. 
 
O escoamento pode ser dado de duas formas, em correntes paralelas, em 
que os dois fluidos entram do mesmo lado do trocador e fluem no mesmo sentido, 
ou entram em lados opostos e fluem em sentido contrário; ou em correntes 
cruzadas, onde os fluidos escoam perpendicularmente. De modo geral, o 
escoamento em corrente cruzada é bastante aplicado em aquecimento de gases e 
sistemas de refrigeração. 
 
2.3 - Figuras do Equipamento: 
 
Figura 2.3.1 - Trocadores de calor do tipo casco e tubo modelo Basco Type 
500 Fonte: API Heat Transfer 
 
 
 
Figura 2.3.2 - Trocadores de calor de placas modelo Schmidt Gasketed 
Fonte: API Heat Transfer 
 
Figura 2.3.3 - Trocadores de calor do tipo duplo tubo modelo Basco Hairpin 
 
2.4 - Representação esquemática em fluxograma:
 
 
Figura 2.4.1 - Representação esquemática de um trocador de calor em 
fluxograma Fonte: Escola Politécnica da Universidade de São Paulo composto por 
dois tubos concêntricos, um inserido no outro. Tanto o fluido quente quanto o fluido 
frio pode escoar no tubo interno. 
 
As principais vantagens desse tipo são a facilidade de construção e de 
montagem, ampliação de área, facilidade de manutenção e de acesso para limpeza. 
O trocador de calor tipo casco e tubo também segue o princípio de funcionamento 
no qual não há contato direto entre fluidos. Este equipamento possui tubos em seu 
interior, onde circula um dos fluidos, enquanto o outro circula entre o casco e as 
paredes dos tubos. 
Para garantir uma maior transferência de calor, o fluido que circula 
externamente é desviado por placas dispostas de modo transversal no interior da 
carcaça, como mostra a figura 2.5.1. 
 
Este tipo de trocador é de amplo uso na indústria de processos químicos, 
além disso, é de fácil limpeza e de menor custo. 
 
 
O trocador de calor deste tipo é formado por placas de metal enfileiradas, que 
são unidas por compressão, e sustentadas por barras. Essas placas possuem 
aberturas, tanto na parte superior quanto na inferior, para o escoamento dos fluidos, 
onde um dos fluidos circula pelo lado direito e o outro pelo esquerdo, em corrente 
em sentidos opostos. 
 
Entre as placas existem gaxetas – borrachas de vedação – que formam uma 
espécie de tubo por onde os fluidos escoam. Essas gaxetas estão dispostas de 
forma que permitam a passagem alternada dos fluidos entre as placas. Existem 
placas dos tipos planas, aletadas, espirais, entre outros. 
 
2.5 - Principais Tipos de Trocadores de Calor: 
 
Na indústria de processos químicos, o princípio mais aplicado é o de troca de 
calor sem contato direto entre os fluidos. O trocador de calor tipo duplo tubo segue 
o princípio de funcionamento com fluidos sem contato direto, pode ser tanto corrente 
paralela ou correte cruzada. 
 
Figura 2.5.1 - Esquema de trocador de calor do tipo casco e tubo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.6 - Aplicações na Indústria: 
 
Os trocadores de calor são fundamentais na indústria e nas pesquisas 
científicas. São exemplos de trocadores de calor, as torres de refrigeração de água, 
refrigeração em geral, recuperadores, condensadores e caldeiras. Também é 
utilizado na produção de bebidas destiladas. 
As torres de refrigeração são utilizadas para o resfriamento de água para a 
indústria. A água quente goteja da parte superior da torre e encontra uma corrente 
de ar em temperatura ambiente. O ar flui em corrente contrária devido a um exaustor 
no topo da torre. 
 
 
 
A troca de calor ocorre por contato direto entre o ar e a água. Assim a água 
é resfriada e pode ser reaproveitada. Na refrigeração em geral, usa-se dois 
trocadores de calor em sistema fechado, com um único gás, o fréon (um 
fluorcarboneto não inflamável qualquer). 
 
Inicialmente, o gás frio passa por um compressor e se torna um gás de alta 
pressão, e assim sua temperatura aumenta. Então ele passa pelo primeiro trocador 
de calor, no qual ele perde calor para o meio externo. Em seguida, ele passa por 
 
Figura 2.5.2 - Esquema de trocador de calor de placas Fonte: Almathi 
 
Figura 2.6.1 - Esquema de torre de refrigeração Fonte: MPSC Engenharia 
uma válvula e se expande, fazendo com que sua temperatura diminua e fique menor 
do que antes de ser comprimido. 
 
Esse gás frio, passa pelo segundo trocador de calor, resfriando um 
determinado ambiente. Após atravessar o trocador, ganha temperatura e retorna ao 
compressor, dando continuidade ao ciclo. 
 
 
Os recuperadores baseiam-se em um trocador de calor tipo duplo tubo. Em 
um dos tubos existe um fluido quente e no outro um fluido que necessita ser 
aquecido. Assim o trocador de calor aproveita a energia térmica para aquecer o 
outro fluido. 
 
Os condensadores são empregados em processos de separação de misturas 
por destilação, eles são responsáveis, pela condensação de vapores de substâncias 
que foram separadas no processo de destilação. Esse método é comum na extração 
de óleos e na purificação de líquidos. 
 
2.7 – Manutenção: 
 
Para que a integridade do trocador de calor seja mantida, é preciso que haja 
uma frequente inspeção de suas peças. Para verificar se as paredes do trocador 
estão em bom estado usa-se dois métodos, o método do gás hélio e o método da 
corrente parasita. 
 
O método do gás hélio consiste em encher o trocador com o gás e verificar 
se ocorreu vazamento, através de um espectrômetro de massa, que mede a 
concentração do gás. Esse método é capaz de detectar e medir micro vazamentos. 
 
O método da corrente parasita baseia-se em aplicar um forte campo 
eletromagnético no trocador de calor, gerando correntes de Foucault (correntes 
circulares formadas nas paredes do trocador). Essas correntes são medidas e, se 
estiverem abaixo do padrão, indicam um dano na estrutura metálica. 
 
Outro problema frequente com trocadores de calor é a incrustação, ou seja, 
a precipitação de impurezas na superfície dos tubos quando ocorre a passagem dos 
fluidos. Ela pode ser agravada pela falta de limpeza regular do trocador e/ou do seu 
uso frequente. 
 
A incrustação prejudica o rendimento do trocador de calor ao diminuir o 
contato entre fluido e a parede do trocador. Para retirar a incrustação é necessário 
o uso de produtos químicos capazes de reagir com ela. Como esses produtos 
 
Figura 2.6.2 - Diagrama do ciclo de refrigeração Fonte: How Stuff Works 
químicos podem corroer o equipamento e também contaminar o fluido, é melhor 
manter a limpeza regular do trocador. 
 
Trocadores de calor de placas precisam ser desmontados e limpos 
periodicamente. Trocadores de calor tubulares podem ser limpos por métodos como 
a limpeza ácida, jateamento e jato deágua de alta pressão. 
 
2.8 - O que um Engenheiro Precisa Saber 
 
O engenheiro que vai projetar ou avaliar um trocador de calor deve ter 
conhecimento sobre algumas variáveis envolvidas no processo. As principais 
variáveis de processo num equipamento de troca térmica são: 
 
A natureza dos fluidos que percorrem o trocador: por exemplos, eles podem 
ser corrosivos, tóxicos, ou alimentícios, cada um com um tratamento específico. As 
temperaturas dos fluidos na entrada e na saída do trocador: elas determinam o valor 
do potencial térmico do trocador. As pressões de operação: cada processos 
necessita de uma pressão específica, como para a condensação de determinados 
fluidos. Essa pressão precisa ser suportada pelo equipamento; 
 
A velocidade de escoamento: se a velocidade de escoamento for alta, a 
turbulência do fluido será maior, e, portanto a área do trocador necessária para uma 
dada carga térmica será menor. Por outro lado, essa turbulência provoca um atrito 
maior e assim uma perda da carga maior. 
 
A sujeira: o depósito de materiais indesejáveis no trocador dificulta a troca de 
calor. Caso haja muita sujeira, deve-se escolher um modelo de trocador de fácil 
limpeza; 
 
Localização dos fluidos: para um trocador tipo casco e tubos, a localização 
dos fluidos se relaciona com a limpeza e manutenção do equipamento. O fluido mais 
“sujo” deve escoa no tubo, onde o trecho é reto e assim a turbulência é menor, 
evitando as incrustações. 
 
3 - Conclusão: 
 
Os trocadores de calor não apenas realizam trocas térmicas, mas também 
são responsáveis pelo melhor aproveitamento energético nas indústrias. Um 
trocador bem projetado e adequadamente dimensionado para a sua operação, e 
com manutenção em dia, é capaz de realizar um processo de troca térmica mais 
eficiente, e, portanto, mais atrativo do ponto de vista econômico. Assim aumenta-se 
a competitividade do produto final. 
 
Além disso, do ponto de vista ambiental, o uso de trocadores de calor 
favorece o meio ambiente no momento em que se evita o descarte de fluidos em 
temperaturas elevadas ou então quando possibilita o reaproveitamento desse 
mesmo fluido para algum outro processo na indústria. 
 
Referências Bibliográficas: 
 
 
http://www.hottopos.com/regeq11/gut.htm 
http://www.dequi.eel.usp.br/~felix/Trocadores.pdf 
http://www.geadobrasil.com.br/Trocadores-de-Calor-a-Placas.577.0.html 
http://www.ufjf.br/washington_irrazabal/files/2014/05/Aula-23_Trocadore 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Trocador_de_energia_t%C3%A9rmica 
HOLMAN, J. P. Transferencia de Calor. 8ª edição. Madrid: Concepción Fernández 
Madrid, 1998. 
MARTINELLI JÚNIOR, L. C. Transferência de Calor Parte V: Trocadores de Calor. 
2000. Trabalho Acadêmico – Unijuí, Ijuí. 
 
DE OLIVEIRA, G. A. Dimensionamento de um Trocador de Calor Tipo 
 
CASCO E TUBOS. 2010. Trabalho Acadêmico (Graduação em Engenharia 
Mecânica) – Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de 
Uberlândia, Uberlândia