Relatório Trocador de Calor de Casco e Tubo

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TROCADOR DE CALOR CASCO E TUBO
Alexandra Petry¹, Daniela Borges Gonçalves¹
¹Curso de Engenharia Química. Universidade do Sul de Santa Catarina.
 Universidade do Sul de Santa Catarina
 Unidade Acadêmica de Ciências Tecnológicas
 Curso de Graduação em Engenharia Química 	 	 
Disciplina de Laboratório de Fenômenos e Operações de Transferência de Calor
Professora: Camila da Silva Gonçalves	 
Palavras Chave: trocador de calor, casco e tubo, co-corrente, contracorrente.
Introdução
A transferência de calor é energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura. Quando existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios ocorrerá transferência de calor. Se dois corpos com temperaturas diferentes forem colocados em contato, ocorrerá uma troca de calor do corpo de maior temperatura para o corpo de temperatura mais baixa, até que haja um equilíbrio entre eles. O equipamento usado para implementar essa troca é conhecido como trocador de calor. (INCROPERA, et. al. 2008).
O trocador de calor é um equipamento de extrema importância para a engenharia. Ao longo dos anos foram desenvolvidos diversos tipos de trocadores de calor para muitos campos da indústria, como usinas elétricas, usinas de processamento químico, em aquecimento e condicionamento de ar. Os trocadores de calor também são comuns nas aplicações domésticas como geladeiras e ar condicionados. O trocador de calor foi projetado com o objetivo de trocar calor entre fluidos, segundo as leis da termodinâmica e, proporcionar o reaproveitamento da energia térmica presente nos fluidos quentes (INCROPERA, et. al. 2008).
Tipicamente, os trocadores de calor são classificados em função da classificação do escoamento e do tipo de construção (INCROPERA, et. al. 2008). Existem vários tipos de trocadores de calor, no entanto, os mais comuns para aplicação em processos químicos são os trocadores bitubulares, de casco e tubo e placas (ECO, 2017).
Os trocadores de calor de casco e tubos representam algo em torno de 60% de todos os trocadores de calor empregados nos processos industriais, pois podem ser projetados para operar em diferentes escalas de pressão e temperatura em inúmeras aplicações (HEWITT et al, 1993).
O modelo de trocador de calor casco e tubo consiste em um tubo externo também chamado de casco composto por um feixe de tubos. Os tubos são presos pelas extremidades a placas perfuradas, chamadas espelhos, que são presas no casco. Os tubos internos atravessam as placas perfuradas (chicanas), que além de ajudarem a dar uma maior resistência aos tubos, serve também para direcionar o fluido que escoa no casco. Neste tipo de trocador de calor passa um fluido nos tubos externos e outro fluido no casco, podendo ser um fluido quente nos tubos internos e um frio no casco ou vice e versa, podendo assim resfriar ou esquentar um dos fluidos. A troca de calor ocorrerá através da parede do tubo interno por convecção e condução. (INCROPERA, et. al. 2008).
Ao longo da operação de trocadores de calor, 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 que pode aumentar significativamente a resistência à transferência de calor entre fluidos (INCROPERA, et. al. 2008).
Em um trocador de calor com escoamento co-corrente, inicialmente a diferença de temperaturas é grande, mas diminui com o aumento de x, aproximando-se assintoticamente de zero. Nesse tipo de trocador de calor, a temperatura do fluido nunca pode ser superior à do fluido quente. Para o escoamento paralelo, tem-se que Tq,ent=Tq,1; Tq,sai=Tq,2; Tf,ent= Tf,1 e Tf,sai=Tf,2 (INCROPERA, et. al 2008).
O trocador de calor com o escoamento contracorrente, ao contrário do trocador com escoamento co-corrente, proporciona a transferência de calor entre as parcelas mais quentes dos dois fluidos em uma extremidade, assim como entre as parcelas mais frias na outra extremidade. Por esse motivo, a variação na diferença de temperaturas, = Tq-Tf, em relação ao x não é em posição alguma tão elevada quanto na região de entrada de um trocador de calor com escoamento co-corrente. No escoamento contracorrente, a temperatura de saída do fluido frio é maior do que a temperatura de saída do fluido quente (INCROPERA, et. al. 2008).
Para projetar ou prever o desempenho de um trocador de calor é essencial relacionar a taxa total de transferência de calor a grandezas, tais como: as temperaturas de entrada e de saída dos fluidos, o coeficiente global de transferência de calor e área superficial total disponível para a transferência de calor (INCROPERA, et. al .2008).
O trocador casco e tubo permite a recuperação direta de calor. A eficiência de troca térmica é definida na Equação 1:
 		(1)
Onde, Te e Ts são as temperaturas de entrada e saída dos fluidos frio (f) e quente (q).
O coeficiente global de troca térmica experimental (Uexp) pode ser calculado a partir das quantidades de calor trocadas no sistema, pela Equação 2:
	(2)
Onde, q = (qf + qq)/2, sendo qf a quantidade de calor recebida pelo fluido frio e qq a quantidade de calor cedida pelo fluido quente (J/s). At é a área total de troca térmica (m²) e ΔTln é a média logarítmica de diferença de temperatura (K).
A quantidade de calor recebida ou cedida, pode ser calculada pela Equação 3: 
		(3)
Onde, w = vazão mássica (g/s), Cp é a capacidade calorífica da água quente e fria (J/(g.K)) e ΔT é a diferença de temperaturas entre as entradas e saídas do fluidos (K).
A média logarítmica de diferença de temperatura para o escoamento co-corrente e contracorrente é obtida por meio da Equação 4, que serve para escoamento co-corrente e a Equação 5 que serve para escoamento contracorrente:
		(4)
		(5)
Levando-se em consideração as equações e correlações existentes na literatura, o coeficiente global de troca térmica pode ser estimado pela Equação 6:
 	(6)
Onde, hf e hq são os coeficientes de película do lado frio e quente, respectivamente.
Para a transferência de calor num trocador casco e tubo, a correlação de Dittus Boelter (Equação 7) é bem aceita:
Onde: 
G = fluxo mássico do fluido entre dois tubos = (w/ AG), sendo w a vazão mássica total (g/s) de AG área total de fluxo no casco, sendo esta de 0,01601 m² ou área total de fluxo no tubo, sendo esta de 0,0009806 m².
De = diâmetro externo dos tubos internos, sendo este de 0,0127 m².
K = condutividade térmica do fluido, na temperatura média (W/(m.K));
µ= viscosidade do fluido, na temperatura média (N.s/m²) e
CP = calor específico do fluido, na temperatura média (J/(g.K)).
Devido a troca de calor com o ambiente e, considerando que na maioria dos casos, a diferença de temperatura entre o fluido quente e o ambiente é bem maior que a diferença entre o fluido frio e o ambiente, define-se:
- Quantidade de calor prático (qp) como a quantidade de calor que o fluido frio recebe do fluido quente, ou seja (qf);
- Quantidade de calor teórico (qt) como a quantidade de calor que o fluido quente transferiria ao fluido frio se não houvesse perdas para o ambiente, ou seja, (qq).
Então, o percentual de perdas térmicas é definido pela Equação 8:
	(8)
A seguinte prática teve como objetivos determinar os coeficientes convectivos globais de troca de calor, a eficiência de troca térmica e a quantidade de calor trocado, levando-se em conta as configurações dos escoamentos e as variações de vazão dos fluidos e dimensionar um trocador industrial.
Metodologia
O equipamento utilizado está apresentado na Figura 1.
Figura 1. Bancada de trocador de calor casco e tubo.
Fonte: Fornecido pela professora, 2020.
O Trocador de Calor de Casco e Tubos, é constituído por: 
· Do Lado dos Tubos: 12 tubos em aço inox, com as seguintes dimensões: Diâmetro externo 12,7 mm e parede lisa de 1,25mm; Comprimento de 588 mm, montadosem configuração de passe único e arranjo de passagem triangular com Passo entre os tubos de 15,87 mm e Luz (vazio) de 3,4 mm; Área de troca térmica total de 0,2593 m2; 
· Do Lado do casco: Casco confeccionado em teflon e vidro com 65 mm de diâmetro e 5 mm de espessura de parede lisa; Comprimento de 500 mm; Cinco defletores (chicanas) com espaçamento de 90 mm cada; 
· Camisa de vácuo, em material transparente, para isolamento térmico da face externa do Casco; 
· Sistema Aquecedor de água elétrico, com capacidade de aquecimento de 8 litros/min até 65ºC, com sistema de reciclo da água quente ( CFAQ); 
· Medidores de vazão, tipo Rotâmetro, para os fluidos (água) quente e frio; 
· Sensores de temperatura para as entradas e saídas dos fluidos e retorno da água reciclada; 
· Circuito de tubulações em pvc térmico; 
· 04 Válvulas bloqueio, que permitem realizar as mudanças de configurações de vazão de co-corrente (paralelo) e contracorrente; 
· 02 Válvulas que permitem a regulagem das vazões dos fluidos quente e frio; 
· Bomba centrífuga, para o reciclo (reaproveitamento) da água quente; 
· Bomba de vácuo para o isolamento térmico; 
· Conjunto de amostras de tubos, avulsos, para verificação de sua geometria e áreas de fluxo do trocador de calor; 
· Painel elétrico, confeccionado segundo NBR 5410. 
- Operação em configuração co-corrente
Ao iniciar o procedimento experimental, encheu-se o reservatório de água até que o nível de água ficasse cinco centímetros abaixo do topo, no máximo, colocou-se a mangueira (utilizada para corrente de água fria) e abriu-se a válvula VA para que a água passasse pelo filtro, evitando particulados que pudessem causar perda de eficiência devido a aderência na superfície dos tubos do trocador.
A válvula VA ficou aberta somente para encher a água, já para a realização do experimento para a passagem de água fria, ela permaneceu fechada. Verificou-se o nível de óleo da bomba de vácuo.
Procedeu-se a abertura e fechamento das válvulas de bloqueio adequadamente para a configuração co-corrente.
Ligou-se a bomba centrífuga. Regulou-se a vazão da água quente entre 2,5 e 4 L/min. Ajustou-se a temperatura de água quente através do controlador no painel elétrico. Ligou-se a resistência elétrica por meio do botão no painel elétrico. Regulou-se a vazão de água fria através da VR2 e do rotâmetro 2 para 8 L/min. Depois, deixou o sistema entrar em equilíbrio térmico e procedeu-se as leituras de temperatura por meio das termo resistências instaladas no circuito. Repetiu-se o procedimento do item para outras vazões de água fria: 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 e 1 L/min). Fechou-se totalmente e somente a vazão de água fria (VR2), preparando-se para fazer a segunda etapa do experimento.
- Operação em configuração contracorrente
Mudou-se o arranjo do fluxo para contracorrente. Para tanto, procedeu-se o manuseio das válvulas de bloqueio adequadamente.
Com a vazão de água quente já regulada (mesma do item 4.2), regulou-se a vazão de água fria através da VR2 e do rotâmetro 2 para 8 L/min, e depois deixou-se o sistema entrar em equilíbrio térmico. Após isso procedeu-se a leitura das temperaturas. Regulou-se a corrente de água fria para outras vazões: 7, 6, 5, 4, 3, 2 e 1 L/min. Ao final do experimento, desligou-se o aquecimento elétrico. Fechou-se as válvulas de água VR1 e VR2. Desligou-se a bomba centrifuga. Desligou-se o painel elétrico.
Resultados e Discussões
Verificando os dados obtidos na Tabela 1 da temperatura observou-se que a temperatura varia na medida em que o calor é trocado entre os fluidos, ou seja, à medida que o fluido percorre o comprimento do trocador.
Tabela 1. Temperaturas medias das duas configurações 
	Temperaturas médias (k)
	Co-corrente
	Contracorrente
	Tmédioqte
	Tmédiofrio
	Tmédioqte
	Tmédiofrio
	328,3
	302,35
	328,5
	303,15
	327,95
	300,2
	327,65
	300,5
	327,5
	298,8
	327,25
	299,05
	326,7
	297,9
	327,1
	298,05
	326,65
	297,1
	327
	297,4
	327,05
	296,65
	326,45
	296,95
	326,65
	296,35
	326,7
	296,65
	326,55
	296
	326,3
	296,3
Fonte: Os autores (2020)
Com o auxílio de tabelas de propriedades físicas da água (em anexo) encontradas na literatura foi possível calcular as propriedades físicas dos fluidos quente e frio em suas temperaturas médias, por interpolação, e assim determinou-se a taxa de calor trocado (Tabela 2) para cada fluido em cada situação, bem como a taxa média e o percentual de perda térmica.
Tabela 2. Calor trocado 
	Calor trocado (J/s)
	Co-corrente
	Contracorrente
	q quente
	q frio
	q quente
	q frio
	-61,82936
	1067,556
	-144,292996
	1053,651206
	123,70684
	1596,007
	123,5968738
	1429,447071
	268,08004
	2020,967
	371,2244275
	1666,736744
	639,40863
	2306,022
	515,6186868
	1833,673459
	618,85383
	2396,573
	598,1422823
	1840,793475
	660,0075
	2585,072
	701,4253581
	1917,324787
	825,14094
	2821,1
	804,4975077
	1945,363022
	866,42923
	2835,739
	845,8142973
	1834,260849
Fonte: Os autores (2020)
De acordo com TADINI et al (2016), o arranjo contracorrente além de ser o mais utilizado, também é o arranjo onde obtém-se o maior potencial térmico possível, o que confirma então a obtenção de maiores valores de eficiência para o trocador em modo contracorrente, conforme Tabela 3.
Tabela 3- Eficiência dos fluxos 
	Eficiência (%)
	Co-corrente
	Contracorrente
	E
	E
	45,97014925
	46,62576687
	34,02366864
	31,59509502
	28,3625731
	24,16918429
	24,05797101
	19,76047904
	20
	15,72700297
	17,66381766
	13,73134328
	16,47727273
	11,7647059
	14,48863636
	9,705882353
Fonte: Os autores (2020)
De maneira geral, o percentual de perdas térmicas (Tabela 4) apresentou valores maiores para o escoamento co-corrente. Quanto maior a velocidade de escoamento num trocador de calor, maior a intensidade de turbulência criada e melhor deve ser o coeficiente de transporte de energia. No entanto essa turbulência intensa também implica em um maior atrito e perda de carga, podendo até ultrapassar os valores máximos admissíveis.
Tabela 4. Perda térmica 
	Perda Térmica (%)
	Co-corrente
	Contracorrente
	(%)
	(%)
	1826,61661
	830,216459
	-1190,1526
	1056,53983
	-653,86702
	-348,983585
	-260,64918
	-255,625874
	-287,25994
	-207,751772
	-261,67312
	-173,346945
	-241,89311
	-141,810596
	-227,29032
	-116,86421
Fonte: Os autores (2020)
Observou-se na Tabela 5 que conforme a taxa de calor trocado médio aumentou maior foi o resultado do coeficiente U experimental, tanto na configuração co-corrente como na contracorrente.
Tabela 5. Calor trocado médio e coef. U experimental
	Co-corrente
	Contracorrente
	qm
	Coef. U exp.
	qm
	Coef. U exp.
	(j/s)
	(w/m².k)
	(j/s)
	(w/m².k)
	564,6927
	86,4189745
	454,6791
	71,57089
	859,8569
	121,467761
	776,522
	111,4924
	1144,5233
	155,747934
	1018,981
	139,898
	1472,7153
	199,844506
	1174,646
	157,294
	1507,7134
	198,652283
	1219,468
	158,99
	1622,53975
	207,472954
	1309,375
	171,1747
	1823,1205
	234,130244
	1374,93
	176,4549
	1851,0841
	235,525373
	1340,038
	170,5579
Fonte: Os autores (2020) 
Observa-se no Gráfico 1 que a um comportamento com tendência linear do aumento de Uex p com o aumento da vazão de fluido frio em ambas as configurações. Tanto na configuração co-corrente como na contracorrente pode-se dizer que o coeficiente global de troca térmica aumenta linearmente até a vazão 66,48 g/s nesse ponto então a uma pequena queda no valor. Provavelmente isto ocorre porque à medida que o coeficiente aumenta, a troca térmica aumenta até o ponto em que o tempo para esta troca torna-se tão curto que a vazão não gera grande influência no processo. 
Gráfico 1. Gráfico do coeficiente global experimental por vazão mássica.
Fonte: Os autores (2020) 
Percebe-se que na Tabela 6 que é possível comparar os valores do coeficiente global de troca térmica experimental e do estimado para o sentido co-corrente. O erro entre os dois coeficientes tem o valor acima de 12,59% para todas as vazões do fluido, sendo que a maior diferença ocorre na vazão 99,77 g/s com 25,07% de erro entre os coeficientes, tais erros podem ser decorrentes deerros nas leituras de delta h do manômetro, com os quais se determinou as vazões do fluido. Além disso, que a vazão do fluido quente que deveria ser mantida constante, pode ter variado durante o experimento.
Tabela 6. Configuração co-corrente 
	Co-corrente
	W frio
	Coef. U exp.
	U estimado
	Erro
	g/s
	W/m2.K
	W/m2.K
	%
	16,6062
	86,419
	105,4945
	18,082
	33,2159
	121,4678
	158,7787
	23,4987
	49,8477
	155,7479
	199,59
	20,9661
	66,4828
	199,8445
	228,6357
	12,5926
	83,113
	198,6523
	250,5288
	20,7068
	99,7656
	207,4729
	276,8736
	25,0658
	116,3868
	234,1302
	287,0442
	18,4341
	133,0175
	235,5254
	301,514
	21,8858
Fonte: Os autores (2020)
	Os erros obtidos na configuração contracorrente são maiores do que aqueles do sentido co-corrente. Na Tabela 7 é possível comparar os valores do coeficiente global de troca térmica experimental e do estimado para o sentido contracorrente. O maior erro de 43,27% ocorre na vazão final, diferente no escoamento co-corrente.
	Verificando os dados das Tabelas 6 e 7 observa-se que em todas as vazões o coeficiente de troca térmica experimental foi inferior ao estimado, tanto no escoamento co-corrente como no contra-corrente. Examinou-se que nas duas configurações que conforme a vazão foi aumentando maior foram os valores do coeficiente global de troca térmica experimental e do estimado. É possível concluir que o cálculo do coeficiente global de troca térmica é complexo, pois envolve vários fatores independentes.
Tabela 7. Configuração contracorrente
	Contracorrente
	W frio
	Coef. U exp.
	U estimado
	Erro
	g/s
	qm/AET.MLDT
	W/m2.K
	%
	16,6062
	71,57089
	106,1975
	32,6059
	33,2159
	111,4924
	159,2974
	30,0099
	49,8477
	139,898
	195,4151
	28,4098
	66,4828
	157,294
	226,2648
	30,4824
	83,113
	158,99
	249,6017
	36,3025
	99,7656
	171,1747
	268,9002
	36,3427
	116,3868
	176,4549
	286,0383
	38,3107
	133,0175
	170,5579
	300,6739
	43,2748
Fonte: Os autores (2020) 
Observa-se que com o aumento da vazão mássica de corrente fria, as configurações co-corrente e contracorrente prosseguem para menor eficiência, já que para vazões menores o tempo de troca de calor é maior levando a uma diferença maior entre as temperaturas de entrada e saída e consequentemente à uma eficiência mais elevada. Com isso sabe-se que tanto a configuração quanto a vazão têm influência direta em resultados mais ou menos eficientes.
Outra observação importante e condizente com a literatura é o fato de a eficiência ser maior no sentido contracorrente, conforme mostra o Gráfico 2. Na configuração contracorrente, temos os fluidos entrando pelas extremidades opostas, e consequentemente escoando em sentidos opostos. 
decorre nt es de e rros nas le it uras d e Δ h no ma nô m et ro, co m os q ua is se dete r mino u as va zões dos 
Gráfico 2. Gráfico de eficiência versus vazão mássica de corrente fria.
Fonte: Os autores (2020) 
Pode-se observar no Gráfico 3 que com o aumento da vazão de agua fria, maior é o calor trocado tanto para co-corrente quanto contracorrente, explicado pela intensificação dos efeitos de turbulência dos trocadores à medida que a vazão é aumentada. Sabe-se que as velocidades de escoamento influenciam no desempenho final de um trocador de calor, pois quanto maior a velocidade, maior a intensidade da turbulência criada e melhor deve ser o coeficiente de transporte de energia (SOUZA; MANZELA, 2015).
Na configuração contracorrente, temos os fluidos entrando pelas extremidades opostas, consequentemente o escoando em sentidos opostos. Nota-se que para as mesmas configurações o trocador de contracorrente consegue uma diferença de temperaturas maior quando comparado ao com fluxo paralelo, intensificando a troca térmica.
Gráfico 3. Gráfico de quantidade média de calor trocado versus vazão mássica de corrente.
Fonte: Os autores (2020) 
Conclusão
Com realização deste experimento observou-se o comportamento de um trocador de calor casco e tubo operando em escoamento co-corrente e contracorrente para vazões de água quente e água fria, mantendo- se a vazão de água quente constante. Com o aumento da vazão do fluido frio, de posse dos resultados obtidos, é possível concluir que a temperatura varia à medida que o calor é trocado entre os fluidos, ou seja, a medida que o fluido percorre o comprimento do trocador. A taxa de transferência de calor também aumenta para ambas as configurações de escoamento. Tendo em vista que aumentar a velocidade do escoamento implica em um aumento na turbulência do sistema, espera-se que o coeficiente de transferência de energia tenha um maior valor quanto maior for a vazão de fluido e, consequentemente, maior será a taxa de transferência. Além disso, com os dados experimentais e a utilização de correlações, foi possível calcular os valores dos coeficientes globais de troca térmica experimental e estimado. 
Comparando os valores dos coeficientes globais experimentais no sentido co-corrente e contracorrente, confirmou- se que a eficiência do processo é maior quando ele opera em contracorrente. Enfim, pôde-se mostrar que a eficiência dos trocadores de calor a placas é fortemente influenciada pelas vazões do fluido frio e pelo arranjo do escoamento. 	
Referências Bibliográficas
BICCA, G. B.; SECCHI, A. R.; WADA, K. Modelagem de Trocadores de Calor Casco e Tubos. Porto Alegre RS: Ppgeq, (2005)
COSTA, A. Trocadores de Calor – Série Apontamentos. EdUFSCar, 2002.
ECO, Educacional. Bancada de trocador de calor casco e tubos. Apostila de Apoio Didático. Unisul, Engenharia Química, 2017. 
HEWITT, G.F.,SHIRES, G. L.; BOTT, T.R.: Process heat transfer. CRC Press Inc, (1993).
INCROPERA, F. P.; DEWITT, D. P. Fundamentos de transferência de calor e de massa.6. ed. Rio de Janeiro: LTC,2008.
KERN, D. Q. - Processos de Transmissão de Calor. Editora Guanabara Dois, Rio de Janeiro - RJ, 1983.
SOUZA, W.N.T; MANZELA, A.A. Otimização de Desempenho de Trocadores de Calor Compactos. Revista de Engenharia da Faculdade Salesiana, 2015. 
TADINI, C.C.; TELIS, Vania R N; MEIRELLES, Antonio José de Almeida; Pessoa Filho, P.A. Operações Unitárias na Indústria de Alimentos Vol 2. 1. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 1. 484
Anexo
Tabela 8- tabelas de propriedades físicas da água
Fonte: INCROPERA, et. al. (2008)