transferencia de calor - trabalho

Prévia do material em texto

CENTRO UNIVERSITÁRIO UNA 
 
 
CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA 
 
 
Módulo 5A 
 
 
 
 
 
 
 
 
Transferência de Calor 
Trocadores de Calor 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Belo Horizonte / MG 
2º semestre / 2019 
2 
 
 
 
CENTRO UNIVERSITÁRIO UNA 
 
CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA 
 
Módulo 5A 
 
 
Trocadores de Calor 
 
 
Trabalho apresentado para análise e 
avaliação na disciplina de 
Termodinâmica, modulo 5A do curso de 
Engenharia Mecânica do turno noturno 
do Centro Universitário UNA orientado 
pela Prof. 
 
Orientador: 
 
 
ALUNO: 
 
 
 
 
 
3 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
 O que são Trocadores de Calor? 
 Equipamentos de vários tipos e configurações onde ocorre transferência de 
energia sob a forma de calor entre duas ou mais massas de fluido que podem ou não 
estar em contato direto. 
 Os equipamentos usados para implementar a troca de calor entre dois fluidos ou 
mais sujeitos a diferentes temperaturas que estão separados por paredes sólidas são 
denominados trocadores de calor. A transferência de calor nesses aparatos geralmente 
envolve convecção em cada fluido e condução através da parede que separa os dois fluidos. 
Na análise de trocadores de calor, é conveniente trabalhar com o coeficiente global da 
transferência de calor, que representa a contribuição de todos esses efeitos sobre a 
transferência de calor. 
 
1.1. Organograma trocadores de calor 
 
 
Figura 1: Organograma 
 
2. PROCESSOS DE TRANSFERENCIA 
 
 2.1Trocadores de calor de contato direto 
 Neste trocador, os dois fluidos se misturam. Aplicações comuns de um trocador 
de contato direto envolvem transferência de massa além de transferência de calor. 
 Comparado a recuperadores de contato indireto e regeneradores, são alcançadas 
taxas de transferência de calor muito altas. Sua construção é relativamente barata. 
 
Exemplo: Torres de resfriamento. 
 
Figura 2: Torres de resfriamento. 
 
 2.2 Trocadores de calor contato indireto 
 2.2.1 Transferência direta 
 Neste tipo, há um fluxo contínuo de calor do fluido quente ao frio através de uma 
parede que os separa. Não há mistura entre eles, pois cada corrente permanece em 
passagens separados. Este trocador é designado como um trocador de calor de 
recuperação, ou simplesmente como um Recuperador. 
4 
 
 Neste tipo, há um fluxo contínuo de calor do fluido quente ao frio através de uma 
parede que os separa. Não há mistura entre eles, pois cada corrente permanece em 
passagens separados. Este trocador é designado como um trocador de calor de 
recuperação, ou simplesmente como um recuperador. Alguns exemplos de trocadores 
de transferência direta são trocadores de: 
• Placa 
• Tubular 
• Superfície estendida 
Recuperadores constituem uma vasta maioria de todos os trocadores de calor. 
 
 2.2.2 Transferência tipo armazenamento 
 Em um trocador de armazenamento, os ambos fluidos percorrem 
alternativamente as mesmas passagens de troca de calor. A superfície de transferência 
de calor geralmente é de uma estrutura chamada matriz. Em caso de aquecimento, o 
fluido quente atravessa a superfície de transferência de calor e a energia térmica é 
armazenada na matriz. Posteriormente, quando o fluido frio passa pelas mesmas 
passagens, a matriz “libera” a energia térmica (em refrigeração o caso é inverso). Este 
trocador também é chamado regenerador. 
 Podem ser dinâmicos ou estáticos. Os estáticos não possuem partes móveis e 
consistem em uma matriz através da qual passa alternadamente os fluidos quentes e 
frios. 
 
Figura 3: Trocador de calor de armazenamento. 
 
3. CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM O TIPO DE CONSTRUÇÃO 
 
 Temos trocadores tubular é de placas, de superfície estendida e regenerativos. 
Outros trocadores existem, mas os grupos principais são estes. 
 
 3.1 TROCADORES TUBULARES 
 São geralmente construídos com tubos circulares, existindo uma variação de 
acordo com o fabricante. São usados para aplicações de transferência de calor 
líquido/líquido (uma ou duas fases). Eles trabalham de maneira ótima em aplicações de 
transferência de calor gás/gás, principalmente quando pressões e/ou temperaturas 
operacionais são muito altas onde nenhum outro tipo de trocador pode operar. Estes 
trocadores podem ser classificados como carcaça e tubo, tubo duplo e de espiral. 
 3.1.1 Trocadores de carcaça e tubo 
 Este trocador é construído com tubos e uma carcaça. Um dos fluidos passa por 
dentro dos tubos, e o outro pelo espaço entre a carcaça e os tubos. Existe uma variedade 
de construções diferentes destes trocadores dependendo da transferência de calor 
desejada, do desempenho, da queda de pressão e dos métodos usados para reduzir 
tensões térmicas, prevenir vazamentos, facilidade de limpeza, para conter pressões 
operacionais e temperaturas altas, controlar corrosão, etc. 
 Trocadores de carcaça e tubo são os mais usados para quaisquer capacidade e 
condições operacionais, tais como pressões e temperaturas altas, atmosferas altamente 
corrosivas, fluidos muito viscosos, misturas de multicomponentes, etc. Estes são 
5 
 
trocadores muito versáteis, feitos de uma variedade de materiais e tamanhos e são 
extensivamente usados em processos industriais. 
 
Figura 4: Trocador de carcaça e tubo. 
 
 3.1.2 Trocador tubo duplo 
 O trocador de tubo duplo consiste de dois tubos concêntricos. Um dos fluidos 
escoa pelo tubo interno e o outro pela parte anular entre tubos, em uma direção de 
contrafluxo. Este é talvez o mais simples de todos os tipos de trocador de calor pela fácil 
manutenção envolvida. É geralmente usado em aplicações de pequenas capacidades. 
 
Figura 5: Trocador de tubo duplo. 
 
 3.1.3 Trocador de calor em serpentina 
 Tipo de trocador consiste em uma ou mais serpentina (de tubos circulares) 
ordenadas em uma carcaça. A transferência de calor associada a um tubo espiral é mais 
alta que para um tubo duplo. Além disso, uma grande superfície pode ser acomodada 
em um determinado espaço utilizando as serpentinas. As expansões térmicas não são 
nenhum problema, mas a limpeza é muito problemática. 
 
Figura 6: Trocador de tubo duplo. 
 
4. TROCADOR DE CALOR TIPO PLACA 
 
 Este tipo de trocador normalmente é construído com placas lisas ou com alguma 
forma de ondulações. Geralmente, este trocador não pode suportar pressões muito altas, 
comparado ao trocador tubular equivalente. 
 
 
Figura 7: Trocador de calor tipo placa. 
 
5. APLICAÇÃO DE TROCADORES DE CALOR 
 
 5.1 Condensador 
 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 
6 
 
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 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. Há um dispositivo de aspiração do ar, este dispositivo é importante, pois a 
presença de gás não condensável no vapor reduz o coeficiente de transferência de calor 
na condensação. 
 
6. COMO PROJETAR UMTROCADOR DE CALOR 
 
 Para dimensionar um trocador de calor, primeiramente devemos considerar 
alguns fenômenos térmicos: 
Convecção forçada: convecção térmica é a transferência de calor que ocorre pela 
movimentação relativa entre dois elementos a diferentes temperaturas, como por 
exemplo, de um fluido sobre uma superfície. No caso de trocadores de calor, intitula-se 
convecção forçada, uma vez que a movimentação do fluido é causada por uma força 
externa (bombas, turbinas, ventiladores, etc.). 
Condução: esta é a transferência de calor causada naturalmente pela diferença de 
temperaturas entre regiões de um mesmo meio, ou seja, através de uma parede, placa ou 
tubo. Este fenómeno é baseado no princípio de agitação térmica entre moléculas em 
contato direto. 
Radiação: esta é a transferência de calor proporcionada por meio de ondas 
eletromagnéticas. No caso de trocadores de calor, esta transferência é considerada 
desprezível. 
O projeto de um trocador de calor consiste principalmente de três etapas: A escolha da 
tecnologia, Projeto térmico é cálculo da perda de carga no trocador de calor. 
 
 6.1 A ESCOLHA DA TECNOLOGIA 
 A escolha da tecnologia mais apropriada para o determinado trabalho está 
relacionada a alguns fatores: 
• O processo térmico (temperaturas requeridas, eficiências, etc.) 
• A natureza dos fluidos 
• A aplicação 
• As restrições de instalação e manutenção 
 Levando em consideração estes fatores, definimos o tipo mais adequado de 
trocador de calor, bem como seus materiais de construção. Em alguns casos, a 
necessidade do uso de materiais específicos determina a escolha do tipo de trocador (por 
exemplo, a aplicação em água do mar requer emprego de titânio, material que não pode 
ser aplicado em qualquer tipo de trocador). 
 
 6.2 PROJETO TÉRMICO 
 6.2.1 Validação 
 Uma vez feitas as escolhas tecnológicas, prosseguimos com o projeto do 
trocador de calor, ou seja, a determinação da energia térmica a ser transferida, as 
dimensões e geometrias do equipamento. Primeiramente é necessário validar os dados 
do processo térmico pela aplicação das três fórmulas a seguir: 
7 
 
 
Aplicando as fórmulas, temos: 
X = 73°C 
 
 
Desta forma, encontramos que a energia 
transferida é de 65000 kcal/h ou 756 kW. 
 
 
 6.2.2 Cálculo da superfície de troca térmica 
 
 Primeiro calculamos a diferença de temperatura média logarítmica (DTML) com 
base nas temperaturas de entradas e saídas do trocador: 
Com os valores calculados de energia e DTML, calculamos a superfície de troca térmica 
com a seguinte fórmula: 
K: Coeficiente de transferência de calor (kW/m².°C), 
específico para cada tipo de equipamento, fornecido 
pelo fabricante; 
A: Área de troca térmica (m²). 
 
 6.2.3 Cálculo do coeficiente K e incrustação 
 O coeficiente de transferência de calor K de um trocador é calculado pela 
seguinte fórmula: 
h1 e h2: coeficientes de transferência de 
calor locais, calculados com base nas 
geometricas locais, número de Reynolds 
(Re), Prandtl (Pr) e Nusselt (Nu); 
A obtenção do coeficiente de 
transferência de calor nos permite 
encontrar a área necessária para troca térmica e, portanto, dimensionarmos o trocador. 
 
 6.3 CÁLCULO DA PERDA DE CARGA NO TROCADOR DE CALOR 
 Um fluido em movimento sofre perdas de energia devido à fricção nas paredes 
(perda de carga regular) ou contratempos (perda de carga singular) tais como curvas e 
chicanas. A perda de energia, expressa em queda de pressão (ΔP), tem de ser 
compensada para permitir que o fluido continue em movimento. 
 Quando um trocador de calor é projetado, 
sua perda de carga pode ser calculada através de 
diferentes correlações determinadas pelas 
características da superfície de troca térmica. 
Os passos 2 e 3 são feitos pela interdependência e 
iterações, como mostrado no diagrama ao lado. 
Eficiência e eficácia do trocador de calor: 
 Não devemos confundir eficiência e 
eficácia. De fato, considerando que não haja 
perdas por radiação, a eficácia do trocador de 
calor é igual a 1. 
A eficiência (rendimento) corresponde à seguinte 
fórmula: 
 
Nas condições reais, é impossível obtermos um 
rendimento de 100%. O rendimento do trocador 
depende da quantidade de energia a ser 
transferida e das temperaturas da aplicação. 
8 
 
7. TÉCNICAS DE CÁLCULO DE UM TROCADOR DE CALOR 
 
 Os problemas de projeto, análise e ou desenvolvimento de um trocador de calor 
para uma finalidade específica podem ser classificados em dois grupos principalmente: 
problema de projeto e problema de desempenho. A solução de um problema é facilitada 
pela adoção do método mais adequado a ele. 
 O problema de projeto é o da escolha do tipo apropriado de trocador de calor e 
o da determinação das suas dimensões, isto é, da área superficial de transferência de 
calor A necessária para se atingir a temperatura de saída desejada. A adoção do método 
da DTML é facilitada pelo conhecimento das temperaturas de entrada e saída dos fluidos 
quentes e frios, pois então DTML pode ser calculada sem dificuldade. 
 Outro problema é aquele no qual se conhecem o tipo e as dimensões do trocador 
e se quer determinar a taxa de transferência de calor e as temperaturas de saída quando 
forem dadas as vazões dos fluidos e as temperaturas na entrada. Embora o método da 
DTML possa ser usado neste cálculo de desempenho do trocador de calor, o 
procedimento seria tedioso e exigiria iteração. Isto poderia ser evitado com a aplicação 
do método do NUT. 
• Método da DTML: Para prever ou projetar o desempenho de um trocador de 
calor, é essencial relacionar a taxa global de transferência de calor a grandezas 
como as temperaturas de entrada e de saída, o coeficiente global de transferência 
de calor e a área superficial total da transferência de calor. 
• Método do NUT: É uma questão simples o uso do método DTML para analisar 
um trocador de calor quando as temperaturas de entrada dos fluidos são 
conhecidas e as temperaturas de saída ou são especificadas ou se determinam 
com facilidade pelas expressões do balanço de energia. Mas quando se 
conhecem somente as temperaturas de entrada este método exige um processo 
iterativo. Neste caso é preferível usar outra abordagem, o método denominado 
efetividade-NUT. Para definir a efetividade de um trocador de calor, devemos 
determinar inicialmente a taxa máxima possível de transferência de calor no 
trocador. A efetividade é definida como a razão entre a taxa real de transferência 
de calor no trocador de calor e a taxa máxima possível de transferência de calor. 
 
8. BIBLIOGRAFIA 
 
Essel Cursos, apostila capitulo 2. 
<https://essel.com.br/cursos/material/03/CAP2.pdf> Acesso em Novembro 2019. 
 
UFJR, Trocadores de calor. 
<http://www.ufjf.br/washington_irrazabal/files/2014/05/Aula-23_Trocadores-de-
<Calor.pdf> Acesso em Novembro 2019. 
 
Mundo Mêcanico, Trocadores de calor. 
<https://www.mundomecanico.com.br/wp-content/uploads/2014/01/Trocadores-de-
calor.pdf> Acesso em Novembro 2019. 
 
Barriquand, como projetar um trocador de calor. 
<https://www.barriquand.com/pt/atualidades/como-projetar-um-trocador-calor> 
Acesso em Novembro 2019. 
 
Essel Cursos, apostila capitulo 5. 
<https://essel.com.br/cursos/material/03/CAP5B.pdf> Acesso em Novembro 2019.