Trocadores de Calor

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Trocadores de Calor
Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira 
Trocadores de Calor
Os trocadores de calor são equipamentos que facilitam a transferência de calor entre dois ou mais fluidos em temperaturas diferentes.
Foram desenvolvidos muitos tipos de trocadores de calor para emprego em diversos níveis de complicação tecnológica e de porte como:
usinas elétricas a vapor;
usinas de processamento químico;
aquecimento e condicionamento de ar em edifícios;
refrigeradores domésticos;
radiadores de automóveis,etc. 
Trocadores de Calor – Classificação
CLASSIFICAÇÃO DOS TROCADORES DE CALOR: 
Os trocadores de calor são feitos em tantos tamanhos, tipos, configurações e disposições de escoamento que uma classificação, mesmo arbitrária, é necessária para o seu estudo. 
 Na discussão seguinte serão consideradas as classificações de acordo com:
 o processo de transferência;
 a compacticidade;
 o tipo de construção;
 a disposição das correntes;
 o mecanismo da transferência de calor. 
Trocadores de Calor – Classificação pelo Processo de Transferência 
Os trocadores de calor podem ser classificados como de contato direto e de contato indireto. 
No tipo de contato direto, a transferência de calor ocorre entre dois fluidos imiscíveis, como um gás e um líquido, que entram em contato direto. As torres de resfriamento (figura), condensadores com nebulização para vapor de água e outros vapores, utilizando pulverizadores de água, são exemplos típicos de trocadores por contato direto.
 Nos trocadores de calor de contato indireto, como nos trocadores de calor casco e tubos (figura), os fluidos quente e frio estão separados por uma superfície impermeável, e recebem o nome de trocadores de calor de superfície. Não há mistura dos dois fluidos. 
Contato indireto
Contato 
direto
Trocadores de Calor – Classificação de acordo com a compacticidade
A razão entre a área da superfície de transferência de calor, num dos lados do trocador de calor, e o volume pode ser empregada como medida da compacticidade do trocador de calor: 
Um trocador de calor com densidade de área superficial, em um dos lados, maior do que cerca de 700 m2/m3 é classificado, arbitrariamente, como trocador calor compacto, independentemente de seu projeto estrutural. Por exemplo, os radiadores de automóvel, com uma densidade de área superficial da ordem de 1.100 m2/m3, e os trocadores de calor de cerâmica vítrea, de certos motores a turbina de gás, que têm uma densidade de área superficial da ordem de 6.600 m2/m3, são trocadores de calor compactos. Os pulmões humanos, com uma densidade de área da ordem de 20.000 m2/m3, são os trocadores de calor e de massa mais compactos. O miolo do regenerador do motor Stirling, de finíssima estrutura, tem uma densidade de área que se aproxima da densidade de área do pulmão humano.
Trocadores de Calor – Classificação pelo tipo de construção
Os trocadores de calor também podem ser classificados de acordo com as características construtivas. Por exemplo, existem trocadores tubulares, de placa, de placa aletada, de tubo aletado e regenerativos..
Trocadores de Calor – Classificação pelo tipo de construção
Trocadores de calor tubulares.
Os trocadores de calor tubulares são amplamente usados e fabricados em muitos tamanhos, com muitos arranjos de escoamento e em diversos tipos. Podem operar em um extenso domínio de pressões e de temperaturas. A facilidade de fabricação e o custo relativamente baixo constituem a principal razão para seu emprego disseminado nas aplicações de engenharia.
Trocadores de Calor – Classificação pelo tipo de construção
Trocadores de calor de placa. Como o nome indica, os trocadores de calor são geralmente construídos de placas delgadas. As placas podem ser lisas ou onduladas. Já que a geometria da placa não pode suportar pressões ou diferenças de temperaturas tão altas quanto um tubo cilíndrico, são ordinariamente projetados para temperaturas ou pressões moderadas. A compacticidade nos trocadores de placa se situa entre 120 e 230 m2/m3.
http://www.wermac.org/video/plate_heat_exchanger1.html
Trocadores de Calor – Classificação pelo tipo de construção
 Trocadores de calor de placa aletada. O fator de compacticidade pode ser aumentado significativamente(até cerca de 6.000 m2/m3) com os trocadores de calor de placa aletada.
Trocadores de Calor – Classificação pelo tipo de construção
Trocadores de calor de tubo aletado. Quando se precisa de um trocador que opere em alta pressão, ou de uma superfície extensa de um lado, utilizam-se os trocadores de tubo aletado. A Fig. 8.6 ilustra duas configurações típicas, uma com tubos cilíndricos e outra com tubos chatos. Os trocadores de tubo aletado podem ser utilizados em um largo domínio de pressão do fluido nos tubos, não ultrapassando cerca de 30 atm, e operam em temperaturas que vão desde as baixas, nas aplicações criogênicas, até cerca de 870°C. A densidade máxima de compacticidade é cerca de 
330 m2/m3, menor que a dos trocadores de placa aletada.
Os trocadores de calor de tubo aletado são empregados em turbinas de gás, em reatores nucleares, em automóveis e aeroplanos, em bombas de calor, em refrigeração, eletrônica, criogenia, em condicionadores de ar e muitas outras aplicações.
https://www.youtube.com/watch?v=CRqmn-5E_yA 
Trocadores de Calor – Classificação pelo tipo de construção
Trocadores de calor regenerativos. Os trocadores de calor regenerativos podem ser ou estáticos ou dinâmicos. O tipo estático não tem partes móveis e consiste em uma massa porosa (por exemplo, bolas, seixos, pós etc.) através da qual passam alternadamente fluidos quentes e frios. Uma válvula alternadora regula o escoamento periódico dos dois fluidos. Durante o escoamento do fluido quente, o calor é transferido do fluido quente para o miolo do trocador regenerativo. Depois, o escoamento do fluido quente é interrompido, e principia o escoamento do fluido frio. Durante a passagem do fluido frio, transfere-se calor do miolo para o fluido frio. Os regeneradores de tipo estático podem ser pouco compactos, para o uso em alta temperatura (900 a 1.500°C), como nos pré aquecedores de ar, na fabricação de coque e nos tanques de fusão de vidro. Podem, porém, ser regeneradores compactos para uso em refrigeração, no motor Stirling, por exemplo.
https://www.youtube.com/watch?v=roImOiIxrjo
https://www.youtube.com/watch?v=c_ZDZUVINQA 
Trocadores de Calor – Classificação Segundo a Disposição das Correntes
Correntes paralelas. Os fluidos quente e frio entram na mesma extremidade do trocador de calor, fluem na mesma direção, e deixam juntos a outra extremidade.
Trocadores de Calor – Classificação Segundo a Disposição das Correntes
Contracorrente. Os fluidos quente e frio entram em extremidades opostas do trocador de calor e fluem em direções opostas.
Trocadores de Calor – Classificação Segundo a Disposição das Correntes
Correntes cruzadas. No trocador com correntes cruzadas, em geral os dois fluidos fluem perpendicularmente um ao outro, como está na figura. Na disposição com correntes cruzadas, o escoamento pode ser misturado ou não misturado, dependendo do projeto.
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Trocadores de Calor – Classificação Segundo a Disposição das Correntes
Escoamento multipasse. A configuração de escoamento com passes múltiplos é empregada frequentemente no projeto de trocadores de calor, pois a multipassagem intensifica a eficiência global, acima das eficiências individuais. É possível grande variedade de configurações das correntes com passes múltiplos. A Fig 8.10 ilustra disposições típicas. O trocador de calor da (a) tem "um passe no casco e dois passes nos tubos", e recebe o nome de trocador de calor "um-dois". A Fig. (b) mostra a configuração "dois passes no casco, quatro passes nos tubos", e a Fig. (c), a configuração "três passes no casco, seis passes no tubo".
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Trocadores de Calor – Classificação pelo Mecanismo de Transferência de Calor 
As possibilidades para o mecanismo de transferência de calor incluem uma combinação de quaisquerdois entre os seguintes:
Convecção forçada ou convecção livre monofásica;
Mudança de fase (ebulição ou condensação);
Radiação ou convecção e radiação combinadas
Em todos os casos discutidos anteriormente, consideramos a convecção forçada monofásica em ambos os lados do trocador de calor. Condensadores, caldeiras e radiadores de usinas de força espaciais incluem mecanismos de condensação, de ebulição e de radiação, respectivamente, sobre uma das superfícies do trocador de calor.
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Trocadores de Calor –Trocadores de Calor com Mudança de Fase
Condensadores. Os condensadores são utilizados em várias aplicações, como usinas de força a vapor de água, plantas de processamento químico e usinas nucleares elétricas de veículos espaciais. Os principais tipos incluem os condensadores de superfície, os condensadores a jato e os condensadores evaporativos. O tipo mais comum é o condensador de superfície, que tem a vantagem de o condensado ser devolvido à caldeira através do sistema de alimentação de água. 
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Trocadores de Calor –Trocadores de Calor com Mudança de Fase
Condensadores. 
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Trocadores de Calor –Trocadores de Calor com Mudança de Fase
Condensadores: A Fig. 8.11 mostra um corte através de um condensador de superfície, de dois passes, de uma grande turbina a vapor em uma usina de força. Uma vez que a pressão do vapor, na saída da turbina, é de somente 1,0 a 2,0 polegadas de mercúrio absolutas, a densidade do vapor é muito baixa e a vazão do fluido é extremamente grande. Para minimizar a perda de carga, na transferência do vapor da turbina para o condensador, o condensador é montado ordinariamente abaixo da turbina e ligado a ela. A água de resfriamento flui horizontalmente no interior dos tubos, enquanto o vapor flui verticalmente para baixo, entrando por uma grande abertura na parte superior, e passa transversalmente sobre os tubos. Observe que há dispositivo de aspiração do ar frio das regiões que ficam exatamente acima do centro do poço quente. Este dispositivo é importante, pois a presença de gás não condensável no vapor reduz o coeficiente de transferência de calor na condensação. 
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Trocadores de Calor –Trocadores de Calor com Mudança de Fase
Caldeiras. As caldeiras a vapor de água constituem uma das primitivas aplicações dos trocadores de calor. O termo gerador de vapor é muitas vezes aplicado às caldeiras nas quais a fonte de calor é uma corrente de fluido quente em vez de produtos da combustão. Uma enorme variedade de caldeiras já foi construída. Existem caldeiras em pequenas unidades, para aquecimento doméstico, até unidades gigantescas, complexas e caras, para as modernas usinas de força.
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Trocadores de Calor – Distribuição de Temperaturas: Exemplos para Passe Único
Trocador de calor em contracorrente no qual a elevação da temperatura do fluido frio é igual à queda da temperatura do fluido quente. A diferença de temperatura ΔT, entre o fluido quente e o fluido frio, é constante, em todos os pontos.
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Trocadores de Calor – Distribuição de Temperaturas: Exemplos para Passe Único
Fluido quente se condensa e transfere calor para o fluido frio, fazendo com que sua temperatura se eleve ao longo do percurso.
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Trocadores de Calor – Distribuição de Temperaturas: Exemplos para Passe Único
Líquido frio evapora e resfria o fluido quente ao longo do seu percurso.
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Trocadores de Calor – Distribuição de Temperaturas: Exemplos para Passe Único
Configuração de escoamento paralelo, na qual ambos os fluidos se deslocam na mesma direção, com o fluido frio experimentando uma elevação de temperatura e o fluido quente, uma queda de temperatura.
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Trocadores de Calor – Distribuição de Temperaturas: Exemplos para Passe Único
Configuração em contracorrente na qual os fluidos se deslocam em sentidos opostos.
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Trocadores de Calor – Distribuição de Temperaturas: Exemplo para 1 Passe no Casco e 2 Passes no Tubo
1 passe no casco e 2 passes no tubo.
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Trocadores de Calor – Distribuição de Temperaturas: Exemplo para Correntes Cruzadas
Correntes cruzadas com fluidos não misturados.
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Diferença de Temperatura Média Logarítmica -DTML
MÉTODO DTML PARA ANÁLISE DOS TROCADORES DE CALOR
Na análise térmica dos trocadores de calor, a taxa total de transferência de calor Q através do trocador é uma quantidade de interesse primordial. Concentraremos nossa atenção nos trocadores de calor de passe único, que têm configuração de escoamento do tipo ilustrado na Fig. 8.15. É evidente, segundo esta figura, que a diferença de temperatura D T, entre os fluidos quente e frio, não é em geral constante; varia com a distância ao longo do trocador de calor.
Na análise da transferência de calor nos trocadores de calor, é conveniente estabelecer uma diferença ΔTm, entre o fluido quente e o frio, de modo que a taxa total de transferência de calor Q entre os fluidos possa ser determinada pela seguinte expressão simples:
Q =AU Δ Tm
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Diferença de Temperatura Média Logarítmica -DTML
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Diferença de Temperatura Média Logarítmica -DTML
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Coeficiente Global de Transferência de calor em trocadores de calor
Nas aplicações de trocadores de calor, o coeficiente global de transferência de calor é, ordinariamente, baseado na superfície externa do tubo de diâmetro externo Do e interno Do, levando em conta os coeficientes de convecção (hi e ho) a condutividade térmica do material do tubo (k) e os fatores de incrustação (Fi e Fo):
U0 = 1/{(Do/Di)(1/hi)+DoFi/Di+[Do/(2k)]ln(Do/Di)+Fo+1/ho}
Intervalos típicos de Uo:
Trocadores de calor de água para óleo: 60 a 350 W/(m² °C);
Trocadores de gás para gás: 60 a 600 W/(m² °C);
Condensadores de amônia: 800 a 1400 W/(m² °C);
Condensadores de vapor de água: 1500 a 5000 W/(m² °C).
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Fator de incrustação
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Coeficiente de convecção - correlações
As tabelas resumindo as correlações para convecção forçada no escoamento no interior de dutos, para a convecção forçada no escoamento sobre corpos. Uma relação comumente utilizada para a determinação do coeficiente de convecção (ou de película) no interior dos tubos em trocadores de calor é a equação de Dittus-Boelter (válida para 0,7<Pr<160; Re>10000; L/D>60 e tubos lisos:
Nu=hD/k=0,023Re0,8Prn 
n = 0,4 no aquecimento; n = 0,3 no resfriamento
Re=4m./(D)
Outras correlações podem ser vistas nas Tabelas 7.5 e 8.6 do livro de transferência de calor do Ozisik.
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Correção da Diferença de Temperatura Média Logarítmica - Correntes Cruzadas e Multipasse
A diferença de temperatura média logarítmica (DTML ou LMTD), não se aplica à análise da transferência de calor em trocadores de correntes cruzadas e multipasse. As diferenças efetivas de temperatura foram determinadas nos escoamentos de correntes cruzadas e também multipasse, mas as expressões resultantes são muito complicadas. Por isso, nessas situações, é costume introduzir um fator de correção F de modo que a DTML simples possa ser ajustada para representar a diferença efetiva de temperatura ΔTcorr para a disposição de correntes cruzada e multipasse na forma:
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Correção da Diferença de Temperatura Média Logarítmica - Correntes Cruzadas e Multipasse
Fator de correção (um passe no casco e dois nos tubos):
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Correção da Diferença de Temperatura Média Logarítmica - Correntes Cruzadas e Multipasse
Fator de correção (dois passes no casco e quatro passes nos tubos, ou múltiplos de 4 passes nos tubos):
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Correção da Diferença de Temperatura Média Logarítmica - Correntes Cruzadas e Multipasse
Fator de correção (correntes cruzadas, um só passe e fluidos não misturados):
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Método ε-NUT para a Análise dos Trocadores de Calor
Se as temperaturas de entrada e de saída do fluido quente e do fluido frio, assim como o coeficiente da transferência de calor global, forem especificadas, o método da DTML, com ou sem a correção, pode ser empregado para resolver o problema do cálculo térmico ou do dimensionamento.
Em algumas situações são dadas apenas as temperaturas de entrada e asvazões dos fluidos quente e frio, e o coeficiente de transferência de calor global pode ser estimado. Em tais casos, a temperatura média logarítmica não pode ser determinada, pois as temperaturas de saída não são conhecidas. Por isso, o método da DTML na análise térmica dos trocadores de calor envolverá iterações tediosas para se determinar o valor próprio da DTML que satisfaça a exigência de o calor transferido no trocador de calor ser igual ao calor arrastado pelo fluido.
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Método ε-NUT para a Análise dos Trocadores de Calor
A análise pode ser significativamente simplificada se usarmos o método ε−NUT ou o método da efetividade, desenvolvido originalmente por Kays e Londor.
Neste método, a efetividade e é definida como:
A taxa máxima possível de transferência de calor Qmax é obtida num trocador em contracorrente se a variação de temperatura do fluido que tiver o valor mínimo de mcp for igual à diferença entre as temperaturas de entrada dos fluidos quente e frio.
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Método ε-NUT para a Análise dos Trocadores de Calor
Relação ε-NUT.
Neste método, a efetividade e é definida como:
Por conveniência, nas aplicações práticas, define-se um parâmetro adimensional, o númerode unidades de transferência (de calor) (NUT ou N) como sendo a relação entre a capacidade calorífica do trocador e a capacidade calorifica das correntes:
Onde A é a área de transferência de calor, Um é o coeficiente médio de transferência de calor e Cmin é o valor mínimo de mcp, sendo C=mcp.
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Método ε-NUT para a Análise dos Trocadores de Calor
Gráficos ε-NUT
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Método ε-NUT para a Análise dos Trocadores de Calor
Gráficos ε-NUT
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Método ε-NUT para a Análise dos Trocadores de Calor
Gráficos ε-NUT
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Método ε-NUT para a Análise dos Trocadores de Calor
Gráficos ε-NUT
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Método ε-NUT para a Análise dos Trocadores de Calor
Relações ε-NUT
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 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS 
 PROJETO TÉRMICO – CONDIÇÕES DE PROCESSO 
Condensadores: trocadores nos quais o vapor de processo é, total ou parcialmente, liquefeito. Normalmente o fluido frio utilizado é água de resfriamento. 
Resfriadores/Aquecedores: trocadores de calor em que um fluido de processo é resfriado/aquecido sem mudança de fase. 
Evaporadores: utilizados com a finalidade de concentrar soluções aquosas pela evaporação de parte da água da solução. 
Vaporizadores: finalidade principal de converter líquidos em vapores. Os refervedores se constituem na principal fonte de suprimento de calor de vaporização para a maioria das torres de destilação, e as caldeiras de recuperação. 
Refervedores: podem atuar como vaporizadores totais (caldeiras) ou parciais termosifão.
 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS 
TEMPERATURAS DE OPERAÇÃO
Determinadas pelas condições de processo. 
Para a água salgada e água doce costuma-se adotar como temperaturas máximas recomendáveis, 50 a 55 °C (120 a 130 °F), respectivamente.
a escolha dos materiais a serem utilizados na construção do trocadores de calor dependerá das temperaturas de operação e das características dos fluidos.
 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS 
PROPRIEDADES FÍSICAS DOS FLUIDOS
Propriedades físicas mais importantes: viscosidade e condutividade térmica;
Outras propriedades necessárias: calor específico e densidade;
Normalmente, são considerados os valores das propriedades físicas nas temperaturas médias dos fluidos.
 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS 
PERDAS DE CARGA
As perdas de carga normalmente recomendadas variam conforme o tipo de fluido:
Para gases e vapores costuma-se adotar valores entre 0,15 a 0,7 bar para pressões de operação intermediárias e altas. 
Para gases e vapores operando em vácuo, ou pressões próximas da atmosfera costuma-se adotar valores entre 0,02 a 0,15 bar. 
Para líquidos os valores admissíveis são mais elevados, variando entre 0,7 a 1,7 bar. 
 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS 
VELOCIDADES DE CIRCULAÇÃO DOS FLUIDOS
Velocidades mínimas: definidas para evitar problemas de deposição de sólidos que possam ocorrer nos fluidos de trabalho. 
Velocidades máximas: definidas visando minimizar os problemas de erosão e corrosão. 
Líquidos: velocidades máximas de 3 a 4,5 m/s, e mínima de 0,9 m/s, sendo normal a utilização de 1,5 a 1,8 m/s.
Gases ou vapores: velocidades recomendadas maiores, sendo normais a utilização de velocidades de 
25 a 30 m/s.
 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS 
LOCAÇÃO DOS FLUIDOS NO TROCADOR
Levando em conta fatores econômicos e a facilidade de manutenção e limpeza, o fluido com a característica em posição mais alta na lista seguinte é geralmente, locado dentro dos tubos: 
 água de resfriamento. 
fluidos corrosivos, ou fluidos que possam provocar depósitos e incrustações. 
o fluido menos viscoso. 
o fluido operando à temperatura e pressão mais elevadas. 
o fluido com menor vazão. 
vapores de água condensando; no entanto, para outros vapores, dá-se preferência à sua circulação pelo casco. 
se a diferença entre as temperaturas de entrada e saída de um fluido for muito elevada (maior que 150 °C), este fluido usualmente circulará pelo casco, se houver mais que um passe no lado dos tubos. Este procedimento minimizará os problemas de construção, causados por expansão térmica. 
 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS 
LOCAÇÃO DOS FLUIDOS NO TROCADOR
Levando em conta fatores econômicos e a facilidade de manutenção e limpeza, o fluido com a característica em posição mais alta na lista seguinte é geralmente, locado dentro dos tubos: 
 água de resfriamento. 
fluidos corrosivos, ou fluidos que possam provocar depósitos e incrustações. 
o fluido menos viscoso. 
o fluido operando à temperatura e pressão mais elevadas. 
o fluido com menor vazão. 
vapores de água condensando; no entanto, para outros vapores, dá-se preferência à sua circulação pelo casco. 
se a diferença entre as temperaturas de entrada e saída de um fluido for muito elevada (maior que 150 °C), este fluido usualmente circulará pelo casco, se houver mais que um passe no lado dos tubos. Este procedimento minimizará os problemas de construção, causados por expansão térmica. 
 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS 
COEFICIENTES TRANSFERÊNCIA DO LADO DO TUBO
calculados de acordo com correlações usuais apresentadas na literatura de operações unitárias e de transferência de calor; 
deve ser estimado e avaliado em primeiro lugar se a resistência do lado do tubo é dominante;
o cálculo inicial dos coeficientes do lado do tubo pode eliminar os procedimentos complexos para a estimativa do lado do casco. 
 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS 
COEFICIENTES DO LADO DO CASCO
Não podem ser obtidas com exatidão, mesmo a partir das correlações apresentadas na literatura; 
deve ser determinado inteiramente a partir de dados experimentais (trajetória do fluido continuamente mutável devido a presença de chicanas e a variações nas áreas de escoamento);
No caso da necessidade de se estimar o coeficiente do lado do casco, várias correlações são apresentadas na literatura, essas correlações são baseadas, em sua maioria, na literatura: Tinker, T. Proceedings of general discussion on heat transfer, IME-ASME (1951), pp. 89-116. 
Uma metodologia para a estimativa dos coeficientes no lado do casco está apresentada em: http://www.essel.com.br/cursos/03_trocadores.htm
 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS 
DISPOSIÇÃO DOS TUBOS
Não podem ser obtidas com exatidão, mesmo a partir das correlações apresentadas na literatura; 
Quadrangular: facilita a limpeza externa dos tubos, menor turbulência o que reduz a perda de carga, porém também reduz o coeficiente de transferência de calor;
Triangular: aumenta turbulência -> maior coeficiente de transferência de calor,porém maior perda de carga e maior dificuldade de limpeza da superfície dos tubos. 
 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS 
ESTIMATIVA COEFICIENTES E FATOR DE ATRITO DO LADO DO CASCO 
Como dito anteriormente, várias correlações são apresentadas na literatura. O livro “Princípios de operações unitárias” (Foust et al., 2015) apresenta um exemplo de gráfico para a estimativa dos coeficientes e do fator de atrito, que pode vir a ser útil no projeto de trocadores de calor casco e tubos. 
 PROJETO TERMO-HIDRÁULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS 
Simulação computacional 
Diversos simuladores para vários tipos e configurações de trocadores de calor estão disponíveis. Existem simuladores específicos e mais genéricos. Alguns softwares de simulação de processos, como o Aspen Plus e o Aspen Hysys apresentam blocos de simulação de trocadores de calor casco e tubos... 
Trocadores de calor de placas
Trocadores de calor de placas
Aplicações
Operações rápidas;
Operações com água do mar;
Indústria de alimentos;
Indústria de polímeros.
Um trocador de calor de placa gaxeta consiste de uma pilha de chapas finas espaçadas presas juntas a um quadro.
Trocadores de calor de placas
Vantagens
Fácil de montar e desmontar;
Fácil limpeza química e mecânica;
Ocupa menos da metade do espaço ocupado por um TC casco-tubos;
Permite mudança de operação variando apenas o número de placas.
Trocadores de calor de placas
Desvantagens
Alta perda de carga;
Pressão > 300 psi;
Não opera com suspensões de partículas grandes;
Má distribuição dos fluidos se operado com baixas vazões;
Temperatura limitada a 250°C.
Especificações de trocadores de calor de placas
• As placas têm normalmente entre 0,5 e 3 mm de espessura e o espaço entre elas é de 1,5 a 5 mm.
• As áreas da superfície da placa variam de 0,03 a 1,5 m², com uma relação largura da placa: comprimento de 2,0 a 3,0
• A vazão máxima do fluido é limitada a cerca de 2500 m³/ h.
• A disposição básica e o arranjo de fluxo para um trocador de calor de placa com junta são mostrados na próxima página.
Operação de um trocador de calor de placas
Sistema de passes
Sistema de passes
Sistema de passes
Fluido quente
Sistema de passes
Fluido quente
Sistema de passes
Fluido quente
Sistema de passes
Fluido quente
Sistema de passes
Fluido quente
Sistema de passes
Fluido quente
Fluido frio
Sistema de passes
Fluido quente
Fluido frio
Sistema de passes
Fluido quente
Fluido frio
Sistema de passes
Fluido quente
Fluido frio
Sistema de passes
Fluido quente
Fluido frio
Número de passes quente / frio :
1 / 1
Sistema de passes
Fluido quente
Fluido frio
Número de passes quente / frio :
2 / 2
Sistema de passes
Fluido quente
Fluido frio
Número de passes quente / frio :
2 / 2
Sistema de passes
Fluido quente
T1
T2
t1
t2
Fluido frio
Número de passes quente / frio :
2 / 2
Sistema de passes
Fluido quente
T1
T2
t2
t1
Fluido frio
Número de passes quente / frio :
2 / 2
Sistema de passes
Fluido quente
T1
T2
t2
t1
Fluido frio
Número de passes quente / frio :
2 / 2
Sistema de passes
Fluido quente
T1
T2
t2
t1
Fluido frio
Número de passes quente / frio :
2 / 2
Sistema de passes
Fluido quente
T1
T2
t2
t1
Fluido frio
Número de passes quente / frio :
2 / 2
Projeto de trocadores de calor de placas
• Não é possível fornecer métodos de projeto exatos para trocadores de calor de placas. Normalmente, os métodos mais precisos pertencem aos fabricantes proprietários, sendo normalmente necessária a consulta prévia desses fabricantes.
• Informações sobre o desempenho dos vários padrões de placa utilizados geralmente não estão disponíveis.
• O método aproximado para dimensionar um trocador de placas leva em conta a comparação com trocadores de calor casco e tubos.
Projeto de trocadores de calor de placas
O procedimento de projeto é semelhante ao dos trocadores de casco e tubo.
1. Calcular a taxa de transferência de calor necessária.
2. Se a especificação estiver incompleta, determinar a temperatura desconhecida do fluido ou a taxa de fluxo do fluido a partir de um balanço de energia.
3. Calcular Tln.
4. Determine o fator de correção F;
5. Calcular a diferença de temperatura média corrigida;
6. Estimar o coeficiente global de transferência de calor (ver tabela a seguir;
7. Calcular a área total requerida;
8. Calcular o número de placas = Atotal/Aplaca;
9. Decidir o arranjo e o sistema de passes (considerando perda de carga e taxa de transferência de calor). 
Projeto de trocadores de calor de placas
Coeficientes globais de transferência de calor em trocadores de placas.
Projeto de trocadores de calor de placas
Estimativa do fator de correção (NTU=Tm/ Tln)
Tm maior diferença de temperatura em uma das correntes de fluido, diferença entre entrada e saída da corrente.
Projeto de trocadores de calor de placas
Projeto de trocadores de calor de placas
Obs.
• As ondulações nas placas aumentam a área da placa projetada e reduzem o intervalo efetivo entre as placas. Para o dimensionamento aproximado, em que o projeto real da placa não é conhecido, esse aumento pode ser negligenciado.
• A largura do canal é igual ao passo da placa menos a espessura da placa.
• Não há transferência de calor através das placas terminais, portanto, o número de placas efetivas será o número total de placas menos duas.
Projeto de trocadores de calor de placas
Projeto de trocadores de calor de placas
• 12. Compare a taxa de transferência de calor com a desejada para o processo. Se satisfatório. Se insatisfatório, retorne ao passo 8 e aumente ou diminua o número de placas.
• 13. Verifique a queda de pressão para cada fluxo (perda de carga).
Perdas de pressão
Perdas de pressão
Exemplo
• Investigue o uso de um trocador de calor de placa com junta. Refrigeração de metanol usando água salobra como refrigerante. Placas de titânio devem ser especificadas, para resistir à corrosão pela água salgada.
• Resfriar 100.000 kg / h de metanol de 95 ° C a 40 ° C, carga térmica 4340 kW.
Temperatura de admissão da água de refrigeração 25 ° C e temperatura de saída 40 ° C.
Vazões: metanol 27,8 kg / s, água 68,9 kg / s.
• diferença de temperatura média logarítmica 31 ° C.
• área de placa efetiva de 0,75 m2, comprimento efetivo de 1,5 m e largura de 0,5 m; estas são dimensões típicas da placa;
• espaçamento entre placas de 3 mm, diâmetro de abertura das entradas das placas de 100 mm.
Propriedades:	 	Metanol 	Água
Densidade, kg/m³	750		995
Viscosidade, Pa*s 	0.00034 		0.0008
Prandtl 			5.1		5.7
Solução
• NTU, com base na diferença máxima de temperatura:
NTU= Tm/ Tln=(95-40) /31=1.8
• Tentando um arranjo de 1: 1.
Da Figura 2, F = 0,96
• Na Tabela 3, tomar o coeficiente global, água orgânica leve, como sendo 2000 Wm-2 0C-1.
• Então, área requerida
At=Q/(UF Tln)=(4340 * 103) / (2000 * 0,96 * 31) = 72,92 m²
• Selecione uma área de placa efetiva de 0,75 m2, comprimento efetivo de 1,5 m e largura de 0,5 m; estas são dimensões típicas da placa. O tamanho real da placa será maior para acomodar a área e as entradas.
Número de placas = área total de transferência de calor / área efetiva de uma placa
Nplacas=At/Ap=72,92 / 0,75 = 97 placas
Solução
• Não há necessidade de ajustar isso, 97 fornecerá um número par de canais por passagem, permitindo uma placa final.
• Número de canais por passagem Nc=(Nplacas-1)/2= (97 - 1) / 2 = 48
• Tome o espaçamento entre placas como 3 mm, um valor típico, então:
• área transversal do canal=largura*espaçamento = 3 * 10-3 * 0,5 = 0,0015 m2
•e diâmetro médio hidráulico D = 2*espaçamento= 2 * 3 *10-3 = 6 * 10-3 m
Solução
Solução
Solução
Solução
• quedas de pressão
Metanol
f = 0,60 * (5400) -0,3 = 0,046
Comprimento do caminho = comprimento da placa = número de passes = 1,5 * 1 = 1,5 m.
ΔPd = 8 * 0,046* (1,5 / 6 * 10-3) * 750 * ((0,412) / 2) = 5799N / m2
• Perda de pressão localizada, tome o diâmetro da entrada como 100 mm,
área = 0,00785 m2.
• Velocidade através da entrada = (27,8 / 750) / 0,00785 = 4,72m / s,
• ΔPl = 1,3 * ((750 * 4,722) / 2) = 10860 N / m2
• Queda de pressão total = 5799 + 10,860 = 16,659 N / m2, 0,16 bar.
Solução
• quedas de pressão
Água
• f = 0,60 * (5501) -0,3 = 0,045
• Comprimento do caminho = comprimento da placa * número de passes = 1,5 * 1 = 1,5 m.
• ΔPd = 8 * 0,045 * (1,5 / 6 * 10-3) * 995 * (0,772 / 2) = 26547N / m2
• Velocidade através da porta = (68,9 / 995) /0,0078 = 8,88 m / s
• ΔPl = 1,3 * (995 * 8,88) / 2 = 50999N / m2
• Queda de pressão total = 26.547 + 50.999 = 77.546 N / m2, 0,78 bar
• Poderia aumentar o diâmetro da porta para reduzir a queda de pressão.
• O projeto do teste deve ser satisfatório, portanto, um trocador de calor a placas pode ser considerado para esta tarefa.
Material para aprofundamento dos estudos/projetos envolvendo trocadores de calor de placas 
http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-22102003-093322/publico/Tese_Jorge_A_W_Gut.pdf
https://sistemas.eel.usp.br/bibliotecas/monografias/2014/MIQ14020.pdf