Trocadores de calor
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Trocadores de calor


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Ailton Graciano de Souza Correia
Dauane Rezende Sá
Gilberto Ribeiro Pinto Júnior
João Gabriel Senesi Moreira
Paulo Fernando Kazuo de Almeida Miki
Rafaela Medeiros Dionízio
Trocadores de Calor
Lorena \u2013 SP
2017
Ailton Graciano de Souza Correia
Dauane Rezende Sá
Gilberto Ribeiro Pinto Júnior
João Gabriel Senesi Moreira
Paulo Fernando Kazuo de Almeida Miki
Rafaela Medeiros Dionízio
Trocadores de Calor
Trabalho acadêmico apresentado à Escola de
Engenharia de Lorena \u2013 USP na disciplina de
Fenômenos de Transporte II.
Universidade de São Paulo \u2013 USP
Escola de Engenharia de Lorena
Docente: Prof. Dr. Luiz Carlos de Queiroz
Lorena \u2013 SP
2017
Resumo
Este trabalho tem como objetivo abordar o tema Trocadores de Calor, desenvolvendo
conceitos relevantes ao assunto como sua definição; os variados tipos de escoamento de um
fluido: paralelo, contracorrente e cruzado; as classificações dos trocadores de calor, tanto
em relação ao processo de transferência (trocador de calor por contato direto e indireto)
quanto em relação aos tipos de construção (trocadores de calor por placas e tubulares, que
se ramificam em casco e tubo, tubo duplo e serpentina). É trazido à tona os critérios de
seleção de um trocador de calor e a partir destes o destaque das vantagens e desvantagens
junto a aplicações de cada tipo de trocador de calor.
Quanto à análise de um trocador de calor é abordado o estudo mais detalhado dos
escoamentos em paralelo e contracorrente. Define-se os conceitos de coeficiente global de
transferência de calor e fator de deposição no escopo de um trocador de calor. E, finalmente,
é apresentado exemplos de cálculos de projeto e de desempenho de trocadores de calor
através do método da efetividade-NUT.
Palavras-chave: Trocador de calor. Tipos de escoamento. Método da efetividade\u2013NUT.
Lista de ilustrações
Figura 1 \u2013 Exemplos de trocador de calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Figura 2 \u2013 Esquemas dos tipos de escoamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Figura 3 \u2013 Exemplo de um trocador de calor de contato direto. . . . . . . . . . . . 10
Figura 4 \u2013 Ilustração da torre de resfriamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Figura 5 \u2013 Trocador de calor por transferência direta. . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Figura 6 \u2013 Trocador de calor por armazenamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Figura 7 \u2013 Fluxograma dos tipos de construção de um trocador de calor. . . . . . 11
Figura 8 \u2013 Trocador de calor do tipo placa casco e tubo. . . . . . . . . . . . . . . 12
Figura 9 \u2013 Exemplo de um trocador de casco e tubo. . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Figura 10 \u2013 Trocador de calor do tubo duplo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Figura 11 \u2013 Esquema do trocador de calor do tipo serpentina . . . . . . . . . . . . 13
Figura 12 \u2013 Exemplo de um trocador de calor do tipo serpentina . . . . . . . . . . 13
Figura 13 \u2013 Trocador de calor do tipo placa a partir da sobreposição. . . . . . . . . 14
Figura 14 \u2013 Exemplo de um trocador de placas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Figura 15 \u2013 Distribuição de temperaturas em um trocador de calor. . . . . . . . . . 18
Figura 16 \u2013 Distribuições de temperatura em um trocador de calor com escoamento
paralelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Figura 17 \u2013 Distribuições de temperaturas em um trocador de calor com escoamento
contracorrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Figura 18 \u2013 Efetividade de um trocador de calor com configuração paralela. . . . . 29
Figura 19 \u2013 Efetividade de um trocador de calor com configuração contracorrente. . 29
Figura 20 \u2013 Efetividade de um trocador de calor casco e tubos com um passe no
casco e qualquer múltiplo de dois passes nos tubos. . . . . . . . . . . . 29
Figura 21 \u2013 Efetividade de um trocador de calor casco e tubos com dois passos no
casco e qualquer múltiplo de quatro passes nos tubos. . . . . . . . . . . 29
Figura 22 \u2013 Efetividade de um trocador de calor de escoamento cruzado com um
passe, com os dois fluidos não-misturados. . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figura 23 \u2013 Efetividade de um trocador de calor de escoamento cruzado com um
passe, com um fluido misturado e o outro não-misturado. . . . . . . . . 30
Figura 24 \u2013 Esquema para a solução do problema de projeto. . . . . . . . . . . . . 32
Figura 25 \u2013 Esquema para a solução do cálculo de desempenho. . . . . . . . . . . . 34
Lista de tabelas
Tabela 1 \u2013 Fatores de deposição representativos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Tabela 2 \u2013 Valores representativos do coeficiente global de transferência de calor. . 23
Tabela 3 \u2013 Relações da efetividade de trocadores de calor. . . . . . . . . . . . . . 27
Tabela 4 \u2013 Relações do NUT de trocadores de calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Sumário
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 TROCADORES DE CALOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1 Tipos de escoamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Classificação dos trocadores de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Processos de transferência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1.1 Trocador de calor de contato direto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1.2 Trocador de calor por contato indireto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1.2.1 Trocador de transferência direta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1.2.2 Trocador de armazenamento ou regenerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 Tipos de construção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2.1 Trocadores tubulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2.1.1 Trocador de calor casco e tubo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2.1.2 Trocador de calor de tubo duplo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2.1.3 Trocador de calor do tipo serpentina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2.2 Trocador de calor do tipo placa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Critérios de seleção de um trocador de calor . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.1 Trocadores de calor casco e tubo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.2 Trocadores duplo-tubo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.3 Trocadores espirais (Serpentina) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.4 Trocadores de calor de placas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 ANÁLISE DE TROCADORES DE CALOR . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1 Escoamento em paralelo e contracorrente em trocadores de calor . 18
3.2 O coeficiente global de transferência de calor e o fator de deposição 21
3.3 Método da Efetividade NUT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.1 Definição de efetividade de um trocador de calor . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.2 Relações de efetividade-NUT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4 Cálculos de projeto e de Desempenho de Trocadores de Calor . . . 30
3.4.1 Problema de projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4.1.1 Exemplo de problema de projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4.2 Cálculo de desempenho de trocador de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4.2.1 Exemplo de cálculo de desempenho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
7
1 Introdução
Uma grande questão discutida atualmente é a preocupação com a economia de
energia. Tal assunto tornou-se de grande relevância principalmente a indústrias e empresas
em geral. Com base nisso, é evidente que elas almejem cada vez mais