03_PTC_Trocadores_de_Calor

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Produção e Transporte de Calor
Trocadores de Calor
Docente: Maísa Matos Paraguassú
Importante: estas notas destinam-se
exclusivamente a servir como guia de estudo.
Figuras e tabelas de outras fontes foram
reproduzidas estritamente com finalidade
didática.
Trocadores de calor
 Definição
 Equipamentos
 Tipos de trocadores
 Dimensionamento
 Propriedades térmicas, mecânicas e relativas à umidade
 Variáveis de construção e operacionais
Trocador de calor
• Dispositivo ou equipamento usado para realizar o processo da 
troca térmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas. 
• Podemos utilizá-los no aquecimento e resfriamento de 
ambientes, na produção de energia, na recuperação de calor e 
no processamento químico. 
• Os mais comuns são os trocadores de calor em que um fluido 
se encontra separado do outro por meio de uma parede, 
através da qual o calor se escoa. 
Aplicação
Classificação 
- Recuperadores
- Aquecedores
- Resfriadores
- Condensadores
- Refervedores
- Vaporizadores
- Evaporadores
Classificação 
Tipo de serviço
Forma 
construtiva
Arranjo de 
escoamento
Aplicação
Equipamento Função
Recuperadores São trocadores utilizados para recuperar calor entre 2 correntes de 
processo
*A água e o vapor d’água utilizados não são considerados correntes de processo 
e sim utilidades
Aquecedores São trocadores utilizados para aquecer uma corrente do processo 
utilizando vapor d’água saturado como fluido aquecedor.
*Óleo térmico também costuma ser usado.
Resfriadores São trocadores utilizados para resfriar uma corrente do processo
utilizando água como fluido refrigerante.
Condensadore
s
São trocadores que removem calor latente de um vapor, que
consequentemente se condensará. Condensa um vapor ou uma mistura
de vapores. *Normalmente se utiliza a água como fluido frio
Vaporizadores São trocadores onde o fluido frio, ao receber calor do fluido quente, 
passa do estado líquido ao estado vapor, ou seja, sofre vaporização. O 
calor latente ou sensível de um fluido é convertido em calor de 
vaporização do outro.
Aplicação
Equipamento Função
Aquecedor Fornece calor sensível a um líquido ou a um gás 
mediantes condensação de vapor de agua ou de um 
liquido térmico.
Caldeira Produz vapor, em que o meio de aquecimento é um 
gás ou um líquido quente produzido numa reação 
química.
Gerador de vapor Gera vapor para ser empregado em outro ponto da 
instalação mediante calor disponível.
Refervedor Ligado ao fundo da torre, fornece calor necessário à 
destilação. O meio de aquecimento empregado pode 
ser vapor de água ou um fluido térmico. 
Refrigerador Resfria-se um líquido a uma temperatura mais baixa 
do que a atingível com uso exclusivo de água.
Vaporizador Aquecedor que vaporiza parte de um líquido
Classificação 
- Recuperadores
- Aquecedores
- Resfriadores
- Condensadores
- Refervedores
- Vaporizadores
- Evaporadores
Classificação 
Tipo de serviço
Forma 
construtiva
Arranjo de 
escoamento
- Correntes paralelas
- Correntes contrárias
- Correntes cruzadas
- Trocador tubular
- Trocador casco e tubo 
- Trocador de placas
- Trocador compacto
- Resfriadores a ar
Trocador de calor tubo duplo ou bitubular
• Estes equipamentos são utilizados para sistemas de pequenas áreas de 
troca térmica.
• Adequados para altas pressões devido ao diâmetro reduzido. 
• Facilidade de ajuste da área de troca térmica devido à aquisição por 
módulos.
• Possibilidade de obter máximo rendimento devido ao escoamento em 
contracorrente.
• Facilidade de limpeza mecânica
Trocador de calor tubo duplo ou bitubular
Trocador de calor tubo duplo ou bitubular
Resfriadores de ar (air cooler)
Os resfriadores a ar são utilizados 
quando não há disponibilidade de água 
para rejeição de calor, quando a 
qualidade desta não é boa ou quando 
haverá problemas com o despejo da 
água utilizada. 
Ao contrário da água, o ar não é corrosivo, não 
produz incrustações e não oferece problemas 
de disponibilidade. Entretanto, devido a suas 
baixas condutividade térmica e densidade, o ar 
produzirá um baixo coeficiente de película e 
alta perda de carga, sendo então necessárias 
grandes áreas de troca e de escoamento.
Trocador de placas
Trocador de placas
VANTAGENS
• Pode ser construído com escoamento 
contracorrente ou multipasse (para um ou
ambos os fluidos); 
• Redução do fator de depósito.
• Melhor recuperação térmica.
• Ocupam menos espaço para montar e desmontar.
• Facilidade para limpeza.
• Flexibilidade devido à possibilidade de inclusão ou 
remoção de placas.
• Maior turbulência.
• Mais baratos que trocadores casco e tubos.
• Facilidade em localizar vazamentos.
Trocador de placas
DESVANTAGENS
• Apresentam limitações de pressão e 
temperatura.
• Grande número de pontos de possíveis 
vazamentos.
• Altas perdas de carga.
• Não trabalha com mudanças de fase.
• Não trabalha com fluidos muito viscosos.
• Dimensionamento restrito a fabricantes.
Refervedor
Refervedor
Trocadores de calor compactos
(a) Tubos planos e 
aletas de placas contínuas
(b) Tubos circulares e 
aletas de placas contínuas
(c) Tubos circulares e 
aletas circulares
(d) Aleta-placa (passe único)
(e) Aleta-placa (passes 
múltiplos)
Utilizados, ​​quando ao menos um dos fluidos é um gás, para alcançar elevadas taxas
de calor por unidade de volume.
Caracterizado pelo baixo coeficiente de convecção, pela grande área de troca térmica
por unidade de volume.
 Fluido com baixas vazões e em regime laminar.
Trocadores de calor compactos
Trocador de calor de casco e tubo
Trocador de calor de casco e tubo
Espelho
Os espelhos são discos metálicos que mantém os tubos na posição desejada.
Espelho
Tubos soldados Tubos mandrilhados
Chicanas
CHICANAS
Utilizadas para estabelecer um fluxo cruzado e para induzir uma turbulência do fluido no 
lado do casco, promovendo uma melhor transferência de calor por convecção. 
Chicanas
1) Usado para aumentar a turbulência no caso.
2) Usado para evitar formação de caminhos preferenciais.
3) Usado para evitar flexão dos tubos
Chicanas e espaçadores
Espaçadores
Chicanas e espaçadores
• A distância de centro a centro entre as chicanas denomina-se passo da 
chicana ou espaçamento da chicana. As chicanas são placas perfuradas 
com alturas geralmente iguais a 75% do diâmetro interno do casco 
(chicanas com corte de 25%).
• O espaçamento mínimo entre as chicanas é de 1/5 do diâmetro do 
casco e não inferior a 2 in. 
• A separação entre chicanas e, não o corte de 25% que determina a 
velocidade efetiva do fluido do casco.
Espaçadores
TEMA
• Para designação dos 
trocadores de calor 
multitubulares mediante 
números e letras, a 
nomenclatura recomendada 
pela Tubular Exchange 
Manufactures Association
(TEMA).
• A designação do tipo deve ser 
feita por letras indicando a 
natureza do carretel, do casco 
e da extremidade oposta ao 
carretel 
TEMA
Cabeçote estacionário
Tipo: Fixo
Tipo: Móvel
Tipo: Com tampa
Casco
Tipo: Um ou dois passos
Tipo: Fluido divido
Tipo: Refervedor
Cabeçote estacionário
Tipo: fixo
Tipo: U
Tipo: flutuante
Escoamento
Aletado com os dois
fluidos não misturados
Não-aletado com um fluido
misturado e o outro não misturado.
Escoamento
Arranjo
 O número de passes no casco e nos tubos podem ser variados:
1 passe no casco
2 passes nos tubos
Arranjo das passagens do fluido pelo 
lado dos tubos
Arranjo das passagens do fluido pelo 
lado dos tubos
Arranjo das passagens do fluido pelo 
lado dos tubosArranjo das passagens do fluido pelo 
lado dos tubos
Arranjo das passagens do fluido pelo 
lado dos tubos
O quebra-jato tem por objetivo evitar o 
choque direto do fluído sobre os tubos 
do feixe tubular, protegendo os tubos 
contra a erosão. A colocação desta 
placa deve ser feita a uma distância de 
no mínimo igual ao raio do bocal, e 
normalmente é presa aos tirantes.
As dimensões da placa devem ser tais que a carga de velocidade não ultrapasse em 
nenhum momento 400 lb/(ft.s). Para evitar a retirada de tubos provocada pela 
instalação do quebra-jato, pode-se usar a colocação do quebra-jato em ressalto no 
casco ou o uso de bocais especiais. Normalmente, o quebra-jato possui uma 
espessura de 1/4".
Arranjo das passagens do fluido pelo 
lado dos tubos
Aumenta a 
turbulência
Facilita a 
limpeza
O afastamento ou passo tubular é a menor distância entre os centros de dois tubos 
consecutivos.
Sob condições comparáveis de escoamento e de tamanho de tubo, os coeficientes 
para o passo triangular são aproximadamente 25% maiores do que o passo quadrado. 
Passo Triangular: é usado quando o fluido do casco é limpo, com fator de sujeira
menor que 0,002 h.ft2.ºF/Btu e as incrustações podem ser removidas por limpeza 
química. Este arranjo gera os maiores coeficientes de película pois propicia uma maior 
turbulência, produz uma maior perda de carga e pode acomodar um maior número de 
tubos para um mesmo diâmetro de casco.
Passo Quadrado: é o mais usado pois permite uma limpeza mecânica externa.
Conduz a coeficientes menores que o arranjo triangular, mesmo que seja usado 
rotacionado. Existe uma melhora na turbulência para o arranjo de 45º em relação ao 
sentido de fluxo.
Arranjo das passagens do fluido pelo 
lado dos tubos
Escolha do fluido
De maneira geral, o fluido que passa pelo tubo deve ser:
Fluidos corrosivos: Mais econômico usar tubo resistente à corrosão.
Fluidos mais sujos: Mais fácil remover a sujeira dos tubos do que do casco.
Fluido com maior pressão: O casco tem menor resistência devido ao seu 
diâmetro
Fluidos menos viscosos: Exceto quando a perda de carga for baixa
Água de resfriamento: Facilidade de limpeza
Fluidos de menor vazão volumétrica: Em vista do casco oferecer maior 
espaço.
Entre líquidos de propriedades semelhantes, devem passar pelos tubos
aqueles de maior pressão e maior temperatura.
O fluido que passa pelos tubos
• 1. Fluido que exija material mais caro ou que exija revestimento anticorrosivo, pois 
além de ser mais econômico usar tubos resistentes à corrosão do que o casco com 
a mesma propriedade, é mais fácil substituir tubos furados do que o casco;
• 2. Água;
• 3. Fluido de menor viscosidade ou para o qual se permitir maior perda de carga;
• 4. Fluido de maior pressão (o casco tem menor resistência em virtude do seu 
maior diâmetro);
• 5. Fluido mais sujo ou que deixe maior quantidade de sedimentos, exceto no caso 
de feixe tubular em “U”. É mais fácil remover a sujeira dos tubos que o casco; 
• 6. Fluido de maior temperatura.
Como regra geral, os vapores condensando devem, normalmente, passar pelo casco, e 
vapores d´água condensando deve, normalmente, passar pelos tubos.
Projeto 
Projeto
Análise térmica
Área necessária à 
transferência de calor.
Projeto mecânico
T e P de operação.
Projeto de 
fabricação
Materiais e procedimentos 
na fabricação.
Critérios de projeto
O projeto consiste, em geral:
1) Determinação das condições de processo, composição, vazões, 
temperaturas e pressões das correntes envolvidas;
2) Determinação das propriedades físicas necessárias: densidade, calor 
específico, viscosidade, condutividades térmica, etc.
3) Escolha do tipo de trocador de calor a ser empregado;
4) Estimativa preliminar da área de troca, dimensões e arranjos;
5) Escolhe-se o modelo para efetuar os cálculos de projeto;
6) O modelo é avaliado quanto à possibilidade de se adaptar às 
especificações da transferência de calor (avaliação térmica) e queda 
de pressão;
7) O projeto final deve preencher, pelo menor custo, as exigências do 
processo.. 
Laboratório
Laboratório