RELATÓRIO 3 - TROCADOR DE CALOR

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FACULDADE DE AMERICANA 
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA II 
PROF. KARINA KLOCK DA COSTA 
RELATÓRIO 3 
TROCADOR DE CALOR 
Grupo 7 
Giovanna Domingues Marcelino 20171093 
Igor de Souza Silva 20170353 
Rafaela Cristina Feitosa Corsi 20171246 
Americana 
2020
 
Giovanna Domingues Marcelino 20171093 
Igor de Souza Silva 20170353 
Rafaela Cristina Feitosa Corsi 20171246 
TROCADOR DE CALOR 
Relatório de prática experimental apresentada 
na disciplina de Laboratório de Engenharia 
Química II na Faculdade de Americana. 
Prof. Karina Klock da Costa. 
Americana 
2020
Laboratório de Engenharia Química II – Trocador de Calor 
 
RESUMO 
O experimento deste trabalho foi realizado por meio de condições e valores simulados da 
transferência de calor que ocorre em um trocador de calor, com intuito de analisar a as 
temperaturas obtidas, das correntes frias e quentes que estão em circulação no sistema.
Laboratório de Engenharia Química II – Trocador de Calor 
 
SUMÁRIO 
1. INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 5 
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................. 6 
3. MEMORIAL DE CÁLCULOS ................................................................................ 7 
4. PROCEDIEMENTO EXPERIMENTAL .............................................................. 10 
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ......................................................................... 11 
6. CONCLUSÃO ....................................................................................................... 14 
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 15 
 
Laboratório de Engenharia Química II – Trocador de Calor 
 
1. INTRODUÇÃO 
Numa planta industrial, seja para condensar ou para aquecer algum fluído sempre haverá 
a necessidade de instalação de um trocador de calor, isso porque numa reação ou algum 
processo exige desde troca de calor de matérias até recuperação de calor. 
Esse equipamento é presente em nossas vidas sem ao menos termos conhecimento 
científico, seja numa geladeira ou em um ar-condicionado. 
Em uma planta industrial os equipamentos mudam, ficam maiores e os tipos de trocadores 
de calor são diferentes e projetados seja para aquecimento ou resfriamento de matéria, 
recuperação de calor, condensar solventes para reaproveitamento, enfim são inúmeras 
aplicações. 
São equipamentos muito importantes para a engenharia, sendo ao longo do tempo 
desenvolvidos para atender as demandas. 
Alguns dos tipos de trocadores de calor são duplo tubo, placas e casco e tubos. Sendo o 
último abordado nesse experimento. 
Laboratório de Engenharia Química II – Trocador de Calor 
 
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
De acordo com (Çengel, 2017) os trocadores de calor podem ter nomes específicos de 
acordo com a aplicação, por exemplo, um condensador ou um evaporador. Sendo o condensador 
utilizado no resfriamento de um dos fluidos e um evaporador usado na absorção de calor e 
vaporização. 
Os trocadores de calor são dispositivos que facilitam a troca de calor entre dois fluidos 
que se encontram em diferentes temperaturas e talvez o tipo mais comum em aplicações 
industriais seja o trocador de calor casco e tubos. (Çengel, 2017) 
Os trocadores de calor casco e tubos são compostos por inúmeros tubos dentro de um 
casco, enquanto um fluido passa pelos tubos o outro fluido passa pelo casco, fazendo assim a 
troca térmica. Ainda pode haver o uso de chicanas para orientar o fluido que passa no casco, 
aumentando a transferência de calor e uniformidade. (Çengel, 2017) 
Ainda podem ser classificados de acordo com o número de passes no casco e no tubo. 
O desempenho dos trocadores de calor pode diminuir conforme passa o tempo, isso 
porque com o tempo há um acúmulo de depósitos na superfície ou interior do tubo. 
De acordo com (Çengel, 2017), esse acúmulo de depósitos representa uma resistência 
adicional e diminui a taxa de transferência de calor, esse efeito é corrigido adicionando o fator 
de incrustação Rf na modelagem. 
A incrustação mais comum é aquela cuja água utilizada é muito dura, ou seja, rica em 
cálcio. Para evitar o problema, trata-se a água removendo os sólidos e para correção da 
incrustação, pode ser feito por abrasão ou tratamento químico. (Çengel, 2017) 
De acordo com (Çengel, 2017) a incrustação aumenta com o aumento de temperatura e 
diminuição de velocidade.
Laboratório de Engenharia Química II – Trocador de Calor 
 
3. MEMORIAL DE CÁLCULOS 
Coeficiente global de transferência de calor (U) 
Para a determinação do coeficiente global de transferência de calor iremos utilizar a 
Equação 1, cujo a unidade de U é 𝑊 𝑚2 × 𝐾⁄ 
 
1
𝑈×𝐴
= ∑ 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 =
1
ℎ𝑖×𝐴𝑖
+
ln(
𝐷𝑒
𝐷𝑖
⁄ )
2×𝜋×𝑘×𝐿
+
1
ℎ𝑜×𝐴𝑜
 Equação 1 
 
Sendo que as resistências dependem do mecanismo de transferência de calor, como 
condução e convecção conforme observamos na Figura 1. 
Figura 1 Interação de resistências 
 
 
Para o cálculo das resistências por convecção temos as equações 2 e 4, e a resistência por 
condução a equação 3. 
 
𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,𝑜 =
1
ℎ𝑜×𝐴𝑜
 Equação 2 
𝑅𝑐𝑜𝑛𝑑 =
ln (
𝐷𝑒
𝐷𝑖
⁄ )
2 × 𝜋 × 𝑘 × 𝐿
 
Equação 3 
𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,𝑖 =
1
ℎ𝑖 × 𝐴𝑖
 Equação 4 
 
Laboratório de Engenharia Química II – Trocador de Calor 
 
Quantidade de calor 
Para determinação do calor trocado entre os fluidos ou para alguma temperatura faltante, 
utilizamos o balanço de energia em cada um dos fluidos no interior de um trocador. Para isto, 
utilizam-se os calores específicos de cada fluido, conforme demonstrado na Equação 5. 
 
𝑞 = �̇� × 𝐶𝑃 × ∆𝑇 Equação 5 
 
A quantidade de calor total de um trocador de calor pode ser determinada também pela 
relação entre o coeficiente global de transferência de calor, com a área de troca térmica e 
diferença de temperatura no interior do trocador Equação 6. 
 
𝑞 = 𝑈 × 𝐴 × ∆𝑇 =
∆𝑇
𝑅𝑡𝑜𝑡
 Equação 6 
 
Sendo que a diferença de temperatura no interior do trocador varia com o comprimento 
do mesmo, sendo determinada pela média logarítmica de temperaturas Equação 7. 
 
∆𝑇𝑚𝑙 =
∆𝑇2 − ∆𝑇1
ln (
∆𝑇2
∆𝑇1
⁄ )
 Equação 7 
 
Sendo que os valores de ∆𝑇1 e ∆𝑇2 dependem da configuração do escoamento no interior 
do equipamento conforme exemplificado nas Figura 2 e Figura 3, sendo (a) Paralelo e (b) 
Contracorrente. 
 
Laboratório de Engenharia Química II – Trocador de Calor 
 
Figura 2 Distribuição de Energia em trocadores de calor com escoamento em paralelo e 
contracorrente 
 
 
Figura 3 Diferentes escoamentos associados ao perfil de temperatura no trocador de calor 
Laboratório de Engenharia Química II – Trocador de Calor 
 
4. PROCEDIEMENTO EXPERIMENTAL 
O trocador de calor consiste em um modelo casco e tubos, com uma passagem no casco 
e uma passagem no tubo. Os tubos internos de cobre com diâmetro nominal de 3/8” e o casco 
consiste em um tubo de acrílico de diâmetro nominal 1 ¼”. Anotado o comprimento dos tubos 
para determinação da área de troca do equipamento verificou-se a geometria do trocador de 
acordo com a Tabela 1. 
 
Tabela 1 – Dimensões do trocador de calor 
A 4,15−2 M² 
De 0,015 M 
L 0,88 M 
 
Utilizou-se a bancada de trocador de calor casco e tubos, variando a vazão dos fluidos e 
as configurações dos mesmos (contracorrente e concorrente), para determinação das 
temperaturas de saída. Variou- se também a temperatura de entrada do fluido quente para 
verificar a variação na quantidade de calor trocado. 
A vazão do fluido frio foi determinada utilizando um bécker de 2L, um cronômetro e uma 
balança. Repetimos o procedimento 3 vezes para obter uma média de vazão. Medimos a 
temperatura da água para utilização da massa específica adequada.
Laboratório de Engenharia Química II – Trocadorde Calor 
 
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES 
A partir dos experimentos realizados e repetidos três vezes para conferência de dados, 
montamos as tabelas 2 e 3, separadas por escoamento Contracorrente (Tabela 2) e escoamento 
Paralelo (Tabela 3). 
 
Tabela 1 – Dados experimentais: Escoamento contracorrente 
Q (m3/s) Massa (Kg) Tempo (s) T1 T2 t1 t2 
0,000138889 0,63304 5,15 30 26 24 29 
0,000277778 0,51584 4,7 30 26 24 29 
0,0003472222 0,57762 5,1 30 26 24 29 
0,000138889 0,43377 4,7 42 32 23 40 
0,000277778 0,41096 4,7 42 32 23 40 
0,0003472222 0,42808 4,8 44 31 23 40 
0,000138889 0,46411 4,5 30 27 24 29 
0,000277778 0,50612 4,8 30 28 24 29 
0,0003472222 0,48706 4,9 30 28 24 28 
 
Tabela 3 – Dados experimentais: Escoamento Paralelo 
Q (m3/s) Massa (Kg) Tempo (s) T1 T2 t1 t2 
0,000138889 0,63304 5,15 30 24 25 29 
0,000277778 0,51584 4,7 30 25 26 29 
0,0003472222 0,57762 5,1 29 24 25 28 
0,000138889 0,43377 4,7 46 24 30 41 
0,000277778 0,41096 4,7 44 25 32 42 
0,0003472222 0,42808 4,8 43 24 32 41 
0,000138889 0,46411 4,5 29 24 25 28 
0,000277778 0,50612 4,8 30 25 26 29 
0,0003472222 0,48706 4,9 29 25 26 28 
 
A partir do cálculo da média de correntes de entrada quente e correntes de entrada fria, 
consultamos os valores tabelados do Calor específico da água nas determinadas temperaturas, 
conforme Tabela 4 e Tabela 5, também separadas de acordo sua configuração. 
 
 
 
 
Laboratório de Engenharia Química II – Trocador de Calor 
 
Tabela 4 - Média de temperaturas de entrada: Escoamento Contracorrente 
T1 T2 t1 t2 MEDIA Q CpQ ( 
𝐽
°𝐶 × 𝐾𝑔⁄ ) MEDIA f Cpf ( 
𝐽
°𝐶 × 𝐾𝑔⁄ ) 
30 26 24 29 
30 
 
24 
 
30 26 24 29 4178 4180 
30 26 24 29 
42 32 23 40 
42,67 
 
23 
 
42 32 23 40 4179 4180 
44 31 23 40 
30 27 24 29 
30 
 
24 
 
30 28 24 29 4178 4180 
30 28 24 28 
 
Tabela 5 - Média de temperaturas de entrada: Escoamento Paralelo 
T1 T2 t1 t2 MEDIA Q CpQ ( 
𝐽
°𝐶 × 𝐾𝑔⁄ ) MEDIA f Cpf ( 
𝐽
°𝐶 × 𝐾𝑔⁄ ) 
30 24 25 29 
29,67 
 
25,33 
 
30 25 26 29 4178 4180 
29 24 25 28 
46 24 30 41 
44,33 
 
32,33 
 
44 25 32 42 4179 4178 
43 24 32 41 
29 24 25 28 
29,33 
 
26,33 
 
30 25 26 29 4178 4179 
29 25 26 28 
 
Com a vazão mássica experimental, temperatura e calor específico, utilizamos a equação 5 para 
o balanço de energia em cada uma das correntes, de acordo com as tabelas 6 e 7. 
 
Tabela 6 – Balanço de Energia: Escoamento Contracorrente 
Q (m3/s) TQ T1 T2 CpQ qQ Tf t1 t2 Cpf qf 
0,000138889 -4 30 26 
4178 
 
-2,3211 5 24 29 
4180 
2,9028 
0,000277778 -4 30 26 -4,6422 5 24 29 5,8056 
0,0003472222 -4 30 26 -5,8028 5 24 29 7,2569 
0,000138889 -10 42 32 
4179 
 
-5,8042 17 23 40 
4180 
9,8695 
0,000277778 -10 42 32 -11,6083 17 23 40 19,7389 
0,0003472222 -13 44 31 -18,8635 17 23 40 24,6736 
0,000138889 -3 30 27 
4178 
-1,7408 5 24 29 
4180 
2,9028 
0,000277778 -2 30 28 -2,3211 5 24 29 5,8056 
0,0003472222 -2 30 28 -2,9014 4 24 28 5,8056 
 
Laboratório de Engenharia Química II – Trocador de Calor 
 
Tabela 7 – Balanço de Energia: Escoamento Paralelo 
Q (m3/s) TQ T1 T2 CpQ qQ Tf t1 t2 Cpf qf 
0,000138889 -6 30 24 
4178 
-3,4817 4 25 29 
4180 
2,3222 
0,000277778 -5 30 25 -5,8028 3 26 29 3,4833 
0,0003472222 -5 29 24 -7,2535 3 25 28 4,3542 
0,000138889 -22 46 24 
4179 
-12,7692 11 30 41 
4178 
6,3831 
0,000277778 -19 44 25 -22,0559 10 32 42 11,6056 
0,0003472222 -19 43 24 -27,5698 9 32 41 13,0562 
0,000138889 -5 29 24 
4178 
-2,9014 3 25 28 
4179 
1,7413 
0,000277778 -5 30 25 -5,8028 3 26 29 3,4825 
0,0003472222 -4 29 25 -5,8028 2 26 28 2,9021 
Laboratório de Engenharia Química II – Trocador de Calor 
 
6. CONCLUSÃO 
Apesar dos dados simulados e não tendo feito o experimento em laboratório, pode-se 
perceber pelos dados obtidos que a temperatura está variando conforme o fluido percorre o 
comprimento do trocador. Observa-se que a temperatura da corrente fria está tendendo a um 
comportamento constante, sendo reforçada a hipótese considerada na modelagem matemática. 
Com os resultados obtidos, conclui-se que a temperatura varia à medida que o calor é 
trocado entre os fluidos. Sendo então reforçada a suposição realizada na modelagem 
matemática, mostrando que a temperatura da corrente fria apresenta um comportamento 
aproximadamente constante. 
Temos uma variação da taxa de calor ao longo do tempo devido a diferença de 
temperatura das correntes que também diminuem ao longo do tempo, de forma que 
consequentemente, está variação ocorre também ao longo do comprimento do trocador de calor. 
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7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
Çengel, Y. A. (2017). Transferência de Calor e Massa : Uma abordagem prática. AMGH.