Sistemas Termicos_Trocadores de calor_1

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
SISTEMAS TÉRMICOS
Prof. Luís Antônio Bortolaia
UNIDADE 1
TROCADORES DE CALOR
TROCADORES DE CALOR Definição / Aplicações
Trocador de calor é um equipamento utilizado para realizar o
processo de troca térmica (de calor) entre dois fluidos que se
encontram em temperaturas diferentes e separados por uma parede
sólida.
Aplicações:
- condicionamento e resfriamento de ar;
- na produção de energia;
- na recuperação de calor em processos e no processamento químico;
- outras.
TROCADORES DE CALOR Tipos de Trocadores de Calor
Os Trocadores de Calor são tipicamente classificados segundo o
tipo de construção e a configuração do escoamento.
• Quanto ao tipo de construção:
§ trocadores de calor com tubos concêntricos;
§ trocadores de calor com escoamento cruzado;
§ trocadores de calor casco e tubos;
§ trocadores de calor compactos.
• Quanto a configuração do escoamento:
§ correntes paralelas, contracorrente, cruzadas.
TROCADORES DE CALOR Tipos de Trocadores de Calor
1. Trocador de calor com tubos concêntricos (ou duplo tubo)
No arranjo em paralelo (Fig. 1a) os fluidos se movem em um
mesmo sentido. Os fluidos quente e frio entram pela mesma
extremidade, escoam no mesmo sentido e saem do equipamento
também pela mesma extremidade.
No arranjo em contracorrente (Fig. 1b) os fluidos se movem em
sentidos opostos. Os fluidos quente e frio entram no sistema por
extremidades opostas, escoam em sentidos opostos e saem por
extremidades opostas.
TROCADORES DE CALOR Tipos de Trocadores de Calor
Figura 1. Trocadores de calor com tubos concêntricos
TROCADORES DE CALOR Tipos de Trocadores de Calor
2. Trocadores de calor com escoamento cruzado 
Escoamento cruzado: fig. 2, trocadores de calor tubulares, com e
sem aletas.
Figura 2. Trocadores de calor com escoamento cruzado
Tubos com aletas Tubos sem aletas
TROCADORES DE CALOR Tipos de Trocadores de Calor
As configurações (a) e (b) diferem devido ao fluido que escoa pelo
lado externo dos tubos se encontrar ou não misturado.
Em (a) o fluido se encontra não misturado, visto que as aletas
impedem o movimento na direção transversal dos tubos.
Em (b) o fluido se encontra misturado.
Dentro dos tubos o escoamento é não misturado.
TROCADORES DE CALOR Tipos de Trocadores de Calor
3. Trocador de calor casco e tubos
É o tipo de trocador de calor mais comum nas aplicações industriais.
São constituídos basicamente por um feixe de tubos envolvidos por
um casco, normalmente cilíndrico. Um dos fluidos circula
externamente ao feixe e o outro fluido circula pelo interior dos
tubos. Os principais componentes dos trocadores tipo casco e tubo
são: cabeçote de entrada, casco, feixe de tubos, chicanas e cabeçote
de retorno ou saída.
Sua forma mais simples é mostrada na Fig. 3, com uma única
passagem nos tubos e no casco.
.
TROCADORES DE CALOR Tipos de Trocadores de Calor
Geralmente, são instaladas chicanas para aumentar o coeficiente de
transferência de calor no fluido do lado do casco, induzindo
turbulência e um componente de velocidade na direção do
escoamento cruzado.
Os trocadores de calor casco e tubo são ainda classificados de
acordo com o número de passes envolvidos no casco e tubos.
TROCADORES DE CALOR Tipos de Trocadores de Calor
Figura 3. Trocador de calor casco e tubos, com um passe no casco e
um passe nos tubos. Modo de operação com escoamento cruzado em
contracorrente.
TROCADORES DE CALOR Tipos de Trocadores de Calor
Figura 4. Trocadores de calor casco e tubos: (a) um passe no casco e dois passes 
nos tubos. (b) dois passes no casco e quatro passes nos tubos. 
(a) (b)
TROCADORES DE CALOR Tipos de Trocadores de Calor
Figura 5. Trocadores de calor casco e tubos, com chicanas: (a) um passe no casco e 
dois passes nos tubos. (b) dois passes no casco e quatro passes nos tubos. 
TROCADORES DE CALOR Tipos de Trocadores de Calor
TROCADORES DE CALOR Tipos de Trocadores de Calor
TROCADORES DE CALOR Tipos de Trocadores de Calor
4. Trocadores de calor compactos
São trocadores de calor que possuem uma alta área de superfície
de transferência de calor por unidade de volume ( > 700 m² /m³).
Figura 6. Núcleos de trocadores
de calor compactos.
(a) Tubos aletados (tubos
planos, aletas planas
contínuas;
(b) Tubos aletados (tubos
circulares, aletas planas
contínuas);
(c) tubos aletados (tubos
circulares, aletas circulares);
(d) Placas aletadas (único
passe);
(e) placas aletadas (múltiplos
passes).
TROCADORES DE CALOR O coeficiente global de transferência de calor
- O CONCEITO DE RESISTÊNCIA TÉRMICA: existe uma analogia entre
as difusões de calor e de carga elétrica.
Assim como uma resistência elétrica está associada à condução de
eletricidade, uma resistência térmica pode ser associada à condução
de calor.
Fluxo de calor Fluxo de corrente elétrica
TROCADORES DE CALOR O coeficiente global de transferência de calor
Definindo resistência como a razão entre o potencial motriz e a
correspondente taxa de transferência, a resistência térmica será:
- Para superfície plana:
convecção
convecção condução
TROCADORES DE CALOR O coeficiente global de transferência de calor
- Para superfície cilíndrica
TROCADORES DE CALOR O coeficiente global de transferência de calor
Coeficiente global de transferência de calor: 
em sistemas compostos é definido o coeficiente global de
transferência de calor (U), definido por uma expressão análoga à
lei de Newton do resfriamento:
TROCADORES DE CALOR O coeficiente global de transferência de calor
Parede plana composta:
TROCADORES DE CALOR O coeficiente global de transferência de calor
Parede cilíndrica composta:
Definição de U em termos da área
da superfície interna do cilindro
(arbitrária):
TROCADORES DE CALOR O coeficiente global de transferência de calor
O coeficiente global de transferência de calor, tal como mostrado
anteriormente, é definido em função da resistência térmica total à
transferência de calor entre dois fluidos. Um trocador de calor envolve,
normalmente, dois escoamentos de fluidos separados por uma superfície
sólida (parede).
TROCADORES DE CALOR O coeficiente global de transferência de calor
As equações mostradas anteriormente se aplicam para o caso em
que as superfícies são limpas e sem aletas.
Contudo, ao longo da operação normal de um trocador de água as
superfícies estão sujeitas à deposição de impurezas dos fluidos, à
formação de ferrugem, ou a outras reações entre o fluido e o
material que compõe a parede.
O efeito da formação de uma película ou de incrustações sobre a
superfície é o aumento da resistência à transferência de calor. Para
levar isto em consideração introduz-se uma resistência térmica
adicional (fator de incrustação – Rf).
TROCADORES DE CALOR O coeficiente global de transferência de calor
Também, frequentemente, são adicionadas aletas às superfíces.
Pelo aumento da área superficial as aletas reduzem a resistência
térmica à transferência de calor por convecção.
O coeficiente global de transferência de calor , incluindo os efeitos
de deposição e incrustação e inclusão de aletas, pode ser
representado por:
TROCADORES DE CALOR O coeficiente global de transferência de calor
Onde os índices c e h representam os fluidos frio e quente,
respectivamente.
- resistência térmica adicional (fator de incrustação). Tabela
11.1.
- eficiência global da superfície aletada (aletas).
OBS: o cálculo de UA não exige a especificação do lado quente ou
frio.
Contudo, o cálculo de um coeficiente global de transferência de
calor depende da área na qual ele é baseado.
TROCADORES DE CALOR O coeficiente global de transferência de calor
TROCADORES DE CALOR O coeficiente globalde transferência de calor
A eficiência global da superfície aletada é definida da forma que,
para a superfície do lado quente ou a superfície do lado frio, a taxa
de transferência de calor é dada por:
A - área superficial total
(aletas e fração da base
exposta)
Af – área superficial de
todas as aletas
TROCADORES DE CALOR O coeficiente global de transferência de calor
TROCADORES DE CALOR O coeficiente global de transferência de calor
TROCADORES DE CALOR O coeficiente global de transferência de calor
Para trocadores de calor tubulares não aletados, a equação do
coeficiente global de transferência de calor fica:
TROCADORES DE CALOR O coeficiente global de transferência de calor
Valores representativos do coeficiente global de transferência de
calor são mostrados abaixo.