Trocadores de Calor: Tipos e Análise

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Trocadores de Calor
Curso: Processos Químicos
Disciplina: Transferência de Calor
Prof. Clóvis
Trocadores de calor
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• Os trocadores de calor são dispositivos que 
permitem a troca de calor entre dois fluidos sem 
que seja permitida a mistura entre eles.
• Trocadores de calor são largamente aplicados nas 
industrias.
• Apresentam diversos tipos: tubo duplo, 
compactos, casco tubo, placa e quadro e etc.
Tipos de trocadores de calor
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Trocadores de calor
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O tipo mais simples de trocador de calor é o de tubo duplo. Um fluido no trocador de calor 
de tubo duplo escoa através do tubo menor, enquanto o outro escoa através do espaço 
anular entre os dois tubos. Temos dois tipos de arranjos nesses tubos duplos: escoamento 
paralelo, os fluidos quente e frio entram no trocador de calor na mesma extremidade e 
avançam na mesma direção. No escoamento contracorrente, os fluidos quente e frio 
entrem no trocador de calor em extremos opostos e escoam em direções opostas.
Trocadores de calor
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Trocador de calor compacto: 
permitem o alcance de altas taxas de 
transferência de calor entre dois 
fluidos em um pequeno volume e são 
usados em aplicações com limitações 
de espaço e peso, tais como 
automóveis, aviões, etc.
Trocadores de calor de circuito 
impresso (PCHE), possuem diversas 
aplicações na industria de processos 
químicos e processamento de 
combustíveis.
Trocadores de calor
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Em trocadores de calor compactos geralmente os fluidos escoam 
perpendicularmente um ao outro, escoamento cruzado.
Trocadores de calor
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Com bastante uso na industria temos os trocadores de calor casco e 
tubo.
Trocadores de calor
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Com bastante uso na industria temos os trocadores de calor casco e 
tubo.
Coeficiente global de transferência de 
calor
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Resistência térmica de condução pela parede (wall):
Trocadores de calor geralmente trabalha no 
regime permanente!
Resistência térmica total do circuito térmico:
Áreas:
Coeficiente global de transferência de 
calor
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Na análise de trocadores de calor, é conveniente 
combinar todas as resistências térmicas no 
caminho do fluxo de calor em uma única 
resistência R.
U é o coeficiente global de transferência de 
calor, com unidade, 
Quando a espessura do tubo é pequena, temos
Coeficiente global de transferência de 
calor
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Para aumentarmos a taxa de transferência de 
calor podemos aumentar a área de superfície 
através de aletas.
Quando as aletas possuem eficiência 
menor que a unidade:
Coeficiente global de transferência de 
calor
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Coeficiente global de transferência de calor: 
Fator de incrustação
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Fator de incrustação: devido ao acúmulo de depósitos nas 
superfícies de transferência de calor. Geram resistências térmicas 
adicionais caracterizadas pelo fator de incrustação.
Na industria de processos químicos 
outra forma de incrustação é 
devido a corrosão e incrustações 
químicas.
Para trocador de calor casco e tubo 
não-aletado:
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Análise de trocador de calor
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Escolha de um trocador de calor
• Que permita alcançar a mudança de 
temperatura especificada dada uma vazão 
mássica (método da diferença de temperatura 
média logarítmica-LMTD)
• Que preveja as temperaturas de saída dos 
fluidos quente e frio dado determinado 
trocador de calor (método da efetividade-
NTU)
Análise de trocador de calor
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Considerando um trocador de calor trabalhando em 
regime permanente.
Pela primeira lei da termodinâmica: a taxa de transferência 
de calor perdida pelo fluido quente é igual a taxa de 
transferência de calor ganha pelo fluido frio
Análise de trocador de calor
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É conveniente combinar a vazão mássica e o calor específico do 
fluido em uma quantidade chamada taxa de capacidade térmica:
Portanto:
Note que a única vez em que o aumento de 
temperatura do fluido frio é igual à queda da 
temperatura do fluido quente é quando as 
taxas de capacidade térmica dos dois fluidos 
são iguais.
Condensadores e Evaporadores
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Quando um dos fluidos (fluido quente ou fluido frio) do trocador de calor passa 
por uma mudança de fase: (1) o fluido passa do estado gasoso para o liquido 
(condensação ou liquefação) no condensador; (2) o fluido passa do estado liquido 
para o gasoso (vaporização) no evaporizador.
A taxa de capacidade térmica do fluido durante o processo de mudança de 
fase deve ser infinito já que a variação de temperatura é praticamente 
nulo:
Onde a taxa de evaporação ou condensação é e o calor latente de vaporização 
(entalpia de vaporização) é 
Condensadores e Evaporadores
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Quando um dos fluidos (fluido quente ou fluido frio) do trocador de calor passa 
por uma mudança de fase: (a) o fluido passa do estado gasoso para o liquido 
(condensação ou liquefação) no condensador; (b) o fluido passa do estado liquido 
para o gasoso (vaporização) na caldeira ou evaporador.
Método da diferença de temperatura média logarítmica -
LMTD
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A taxa de transferência de calor no trocador de calor pode ser expressão de 
forma análoga a lei de Newton do resfriamento:
Considerando uma diferença de temperatura 
média, em um trocador de calor tipo tubo duplo 
com correntes paralelas temos o balanço de 
energia:
Ou seja, a taxa de perda de calor do fluido 
quente em qualquer seção do trocador de 
calor é igual à taxa de ganho de calor pelo 
fluido frio nessa seção.
Método da diferença de temperatura média logarítmica -
LMTD
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Resolvendo as equações acima:
Fazendo a diferença:
A taxa de transferência de calor na seção 
diferencial também pode ser escrita:
Método da diferença de temperatura média logarítmica -
LMTD
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Substituindo:
Integrando da entrada até a saída do trocador de 
calor:
Portanto:
Temos a diferença de temperatura média logarítmica:
Método da diferença de temperatura média logarítmica -
LMTD
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Portanto:
Temos a diferença de temperatura logarítmica foi obtido a partir do perfil real de 
temperatura dos fluidos no trocador de calor e é a representação exata da diferença de 
temperatura média entre os fluidos quente e frio:
Trocadores de calor de multipasses e escoamento cruzado:
Uso do fator de correção
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• A relação para a diferença de temperatura média logarítmica anterior é válida 
para trocadores de calor tipo duplo tubo.
• A análise de trocadores de calor mais complexos como os trocadores de calor 
de escoamento cruzado e de casco e tubos com multipasses são dadas através 
do fator de correção F:
Onde a diferença de temperatura média logarítmica é dada para o trocador de calor 
duplo tubo contra-corrente:
Trocadores de calor de multipasses e escoamento cruzado:
Uso do fator de correção
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O fator de correção F é dado graficamente em termos de P e R:
Para o caso de trocadores de 
calor tipo casco e tubo com 
multipasses temos:
Trocadores de calor de multipasses e escoamento cruzado:
Uso do fator de correção
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O fator de correção F é dado graficamente em termos de P e R:
Para o caso de trocadores de 
calor tipo escoamento cruzado 
temos:
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Método da Efetividade-NTU
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O método da diferença de temperatura média logarítmica (LMTD) é indicado para a 
determinação do tamanho do trocador de calor para obter temperaturas de saída 
desejadas, quando as vazões mássicas e as temperaturas de entrada e saída dos fluidos 
quente e frio são especificadas.
NTU = número de unidades de transferência (Number of Transfer Units)
Quando desejamos determinar a taxa de transferência de calor e as temperaturas de 
saídas dos fluidos quentes e frios de para um tipo e tamanho de trocador de calor dado 
a partir de vazões mássicas e temperaturas de entrada especificadas,o método da 
efetividade-NTU é mais adequado. 
Define-se o parâmetro adimensional efetividade da transferência de calor:
Método da Efetividade-NTU
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Define-se o parâmetro adimensional efetividade da transferência de calor:
A taxa real de transferência de calor em um trocador de calor é determinado a 
partir de:
Taxas de capacidade térmicas:
A diferença de temperatura máxima no trocador de calor:
Taxa de transferência de calor máxima possível:
É o menor valor entre
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Método da Efetividade-NTU
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Determinação da taxa de transferência de calor real:
Se:
Se:
Considerando um trocador de calor de tubo duplo de escoamento paralela, temos a 
efetividade do trocador de calor:
Método da Efetividade-NTU
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Número de unidades de transferência – NTU:
Razão de capacidades c:
A efetividade de um trocador de calor é função do número de unidades de transferência 
(NTU) e da razão de capacidades (c):
Efetividade dos trocadores de calor – relações analíticas
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Efetividade dos trocadores de calor - Gráficos
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Comparação entre a efetividade dos trocadores de calor
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Para um determinado NTU e a razão de capacidades térmicas c, o trocador 
de calor contra corrente tem a maior efetividade, e o de escoamento 
paralelo a menor.
Efetividade dos condensadores ou evaporadores
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A relação da efetividade para todos os trocadores de calor quando a 
razão de capacidade é c = 0, será:
Relações para NTU quando a efetividade é conhecida
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