Estudo sobre tipos de Trocadores de Calor e Evaporadores e suas aplicações na Indústria Química

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Estudo sobre tipos de Trocadores de Calor e Evaporadores e suas aplicações na 
Indústria Química. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Apodi, RN 
Dezembro, 2020 
 
 
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio 
Grande do Norte – IFRN 
Campus Apodi 
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Flávia Vitória Fernandes Santos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Estudo sobre tipos de Trocadores de Calor e Evaporadores e suas aplicações na 
Indústria Química. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Apodi, RN 
Dezembro, 2020 
Estudo orientado pelo prof. Dr. 
Alcivan Almeida Evangelista 
Neto à turma do 4º da 
modalidade média integrada em 
biocombustíveis do ano de 
2020. 
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Sumário 
1. TROCADORES DE CALOR .................................................................................... 4 
1.1 Tipos de trocadores de calor ................................................................................... 4 
1.1.1 Trocadores tubulares ........................................................................................ 5 
1.1.1.1 Trocadores tubulares de carcaça e tubo ..................................................... 5 
1.1.1.2 Trocadores tubulares em tubo duplo ......................................................... 6 
1.1.1.3 Trocadores tubulares em serpentina .......................................................... 6 
1.1.2 Trocadores de calor tipo placa ......................................................................... 7 
1.1.3 Trocadores de calor de correntes paralelas ...................................................... 7 
1.1.4 Trocadores de calor em contracorrente ............................................................ 8 
1.1.5 Trocadores de calor de correntes cruzadas ....................................................... 8 
1.2 Aplicações dos trocadores na indústria química ..................................................... 9 
1.3 Equações utilizadas em projetos de trocadores de calor ......................................... 9 
1.3.1 Variação da temperatura................................................................................... 9 
1.3.2 Balanço de energia para o fluido quente .......................................................... 9 
1.3.3 Variação de temperatura do fluido quente ....................................................... 9 
1.3.4 Balanço de energia para o fluido frio ............................................................. 10 
1.3.5 Equação de projeto ......................................................................................... 10 
1.3.6 Cálculo da média logarítmica das diferenças de temperatura ........................ 10 
2. EVAPORADORES ............................................................................................... 10 
2.1 Classificação de evaporadores quanto a sua forma de separação ......................... 11 
2.1.1 Evaporadores de circulação natural ............................................................... 11 
2.1.2 Evaporadores de circulação forçada ............................................................... 12 
2.1.3 Evaporadores de película ............................................................................... 13 
2.2 Classificação dos evaporadores quanto a sua construção ..................................... 15 
2.2.1 Evaporador de tubo liso ................................................................................. 15 
2.2.2 Evaporadores de placa .................................................................................... 16 
2.2.3 Evaporadores de tubos aletados ..................................................................... 16 
2.3 Equações utilizadas em projetos de evaporadores ................................................ 17 
2.3.1 Balanço de massa global ................................................................................ 17 
2.3.2 Balanço por componente ................................................................................ 17 
2.3.3 Balanço de energia ......................................................................................... 17 
3. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 18 
 
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1. TROCADORES DE CALOR 
A transferência de calor pode ser definida como energia térmica transitória devido 
a diferença de temperatura entre os dois componentes. Essa transferência pode ocorrer 
entre dois ou mais corpos que podem ser líquidos, gases ou sólidos. Já os meios de 
transferência da energia podem ser por condução, convecção ou radiação térmica. A 
transferência de calor é muito utilizada para a conservação e produção de energia em 
diversos tipos de equipamentos, dentre eles, os trocadores de calor. 
Trocadores de calor são equipamentos que servem para a troca térmica entre 
fluidos, sem que ocorra mistura entre eles, que escoam a diferentes temperaturas. O calor 
pode ser dividido entre dois tipos, o calor sensível e o calor latente, o calor sensível 
apresenta mudança em sua temperatura, mas sua fase é constante, já o calor latente, 
apresenta temperatura constante e mudança de fase. Esses equipamentos que realizam a 
troca podem ser utilizados para aquecer, resfriar, esterilizar, concentrar, secar, dentre 
outros e podem ser divididos em diversos tipos. 
1.1 Tipos de trocadores de calor 
Os trocadores de calor podem ser classificados de acordo com seu processo de 
transferência ou de acordo com a sua construção. 
Os processos de transferência podem ser de contato direto ou indireto. No direto 
pode ser entre fluidos imiscíveis, entre liqúido-gás ou líquido-vapor. No contato indireto 
tem-se a transferência direta que pode ser monafásica ou multifásica, a transferência 
indireta ou intermitente e através de leito fluidizado. 
Em relação a construção do trocador, tem a classificação tubular, de placas, 
aletados e regenerativos. A tubular pode ser duplo-tubo, casco-e-tubos, casco-espiral e 
“pipecoil”. A de placas é dividida entre placa-armação, soldado, espiral e “platecoil”. Os 
aletados podem ser de tubo-aleta ou placa-aleta. Já os regenerativos se dividem em matriz 
rotativa e matriz fixa. 
 
 
 
 
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Ilustração de trocador de calor de contato direto. Fonte: (UFSC, 2016). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ilustração de trocador de calor de contato indireto por transferência direta. Fonte: 
(UFSC, 2016). 
1.1.1 Trocadores tubulares 
1.1.1.1 Trocadores tubulares de carcaça e tubo 
Nesse tipo de trocador tem tubos e uma carcaça, um dos fluidos passa pelos tubos 
e o outro pelo espaço que existe entre a carcaça e os tubos. Esse tipo de trocador são os 
mais utilizados para quaisquer condições operacionais, altas pressões e temperaturas, 
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fluidos muito viscosos, dentre outras. Sua capacidade de operação é maio que a do tubo 
duplo. 
 
 
 
 
 
 
 
Ilustração de trocador de calor carcaça e tubos. Fonte: (UFSC, 2016). 
1.1.1.2 Trocadores tubulares em tubo duplo 
Esse tipo de trocador é formado por dois tubos concêntricos, o processo de 
transferência ocorre quando um dos fluidos escoa pelo tubo interno e o outro pela externa 
estre tubos, podendo ser nas mesmas direções (correntes paralelas) ou direções contrárias 
(contracorrente). Esse é considerado um dos mais simples de todos os tipos de trocadores 
de calor devido ter uma manutenção facilitada, normalmente é empregado para aplicações 
de pequenas capacidades. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ilustração de trocador de calor de tubo duplo. Fonte: (UFSC, 2016). 
1.1.1.3 Trocadores tubulares em serpentina 
Nesse tipo de trocador, tem-se uma ou mais serpentinas de tubos circulares 
ordenadas em uma carcaça. Esse tipo de trocador não possui nenhum problema com 
relação a expansão térmica, porém a limpeza do mesmo é dificultada. 
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Ilustração de trocador de calor em serpentina. Fonte:(UFSC, 2016). 
1.1.2 Trocadores de calor tipo placa 
Os trocadores de tipo placa são constituídos normalmente com placas planas lisas 
ou com alguma forma de ondulação. A diferença desse tipo para o tubular é a economia 
de espaço. Normalmente esse tipo de equipamento não pode suportar pressões muito 
altas, quando comparado ao trocador tubular. Os do tipo placa são trocadores de calor 
compactos, isso significa dizer que a razão entre a área de superfície e de transferência de 
calor e o volume do trocador é maior que 700 m²/m³. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ilustração de trocadores de calor tipo placa. Fonte: (UFSC, 2016). 
1.1.3 Trocadores de calor de correntes paralelas 
Nesse tipo de trocador, o fluido quente e frio entram e saem na mesma direção. 
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Ilustração de trocador de calor em corrente paralela. Fonte: (UFSC, 2016). 
1.1.4 Trocadores de calor em contracorrente 
Nesse equipamento, o fluido frio e quente entra e sai em extremidades opostas do 
trocador. 
 
 
 
 
 
 
 
Ilustração de trocador de calor em contracorrente. Fonte: (UFSC, 2016). 
1.1.5 Trocadores de calor de correntes cruzadas 
Nesse sistema de operação, os fluidos percorrem de maneira perpendicular um ao 
outro. 
 
 
 
 
 
 
Ilustração de trocador de calor em correntes cruzadas. Fonte: (UFSC, 2016). 
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1.2 Aplicações dos trocadores na indústria química 
Os trocadores de calor são equipamentos muito utilizados na indústria química, 
participando na indústria de base na produção de vidro e metais, na conversão energia 
termoelétrica, solar, nuclear, dentre outras, assim como também é utilizado na indústria 
alimentícia na produção de leite e derivados e na conservação de alimentos, todos esses, 
dentre outros, são processos que possuem a participação dos trocadores de calor. 
1.3 Equações utilizadas em projetos de trocadores de calor 
1.3.1 Variação da temperatura 
Em operação de corrente paralela: 
∆t1=Tqe-Tfe 
∆t2=Tqs-Tfs 
Onde: 
∆t É a variação de temperatura; 
Tqe é a temperatura do fluido quente na entrada; 
Tfe é a temperatura do fluido frio na entrada; 
Tqs é a temperatura do fluido quente na saída; 
Tfs é a temperatura do fluido frio na saída. 
Em operação de contracorrente: 
∆t1=Tqe-Tfs 
∆t2=Tqs-Tfe 
1.3.2 Balanço de energia para o fluido quente 
Q= Fq∙Cpq∙∆Tq 
Onde: 
Q é o calor trocado; 
Fq é a vazão mássica do fluido quente; 
Cpq é o calor específico do fluido quente; 
∆Tq é a variação de temperatura do fluido quente. 
1.3.3 Variação de temperatura do fluido quente 
∆Tq= Tqe- Tqs 
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1.3.4 Balanço de energia para o fluido frio 
Q= Ff∙Cpf∙∆Tf 
Onde: 
Q é o calor trocado; 
Ff é a vazão mássica do fluido frio; 
Cpf é o calor específico do fluido frio; 
∆Tf é a variação de temperatura do fluido frio. 
1.3.5 Equação de projeto 
Q=U ∙A ∙∆Tml 
Onde: 
Q é o calor trocado; 
U é o coeficiente global de troca térmica; 
A é a área do trocador de calor; 
∆Tml é a média logarítmica das diferenças de temperatura. 
1.3.6 Cálculo da média logarítmica das diferenças de temperatura 
∆Tml= 
(∆T1-∆T2)
ln (
∆T1
∆T2
)
 
Onde: 
∆Tml é a média logarítmica das diferenças de temperatura; 
∆T1 é a variação da temperatura 1; 
∆T2 é a variação da temperatura 2. 
2. EVAPORADORES 
Evaporadores são superfície de transferência de calor em que um líquido que 
possui capacidade de volatilidade é vaporizado, objetivando-se remover calor do espaço 
ou do produto refrigerado. Na maioria das vezes o solvente vaporizado é a água e o 
objetivo final é se obter o concentrado líquido. 
Os evaporadores são formados por um trocador de calor que aumenta a 
temperatura do sistema contido até o seu ponto de ebulição, neles também está presente 
uma superfície térmica, que tem como função transferir calor para a solução. 
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Os evaporadores podem ser definidos em diversos tipos, de acordo com a sua 
forma de separação de vapor ou pela sua construção. 
2.1 Classificação de evaporadores quanto a sua forma de separação 
A classificação dos evaporadores levando em consideração a sua forma de 
separação pode ser dividida em três classes, os evaporadores de circulação natural, de 
circulação forçada e os evaporadores de película. 
2.1.1 Evaporadores de circulação natural 
Os evaporadores de circulação natural utilizam da diferença de densidade presente 
no sistema para executar a circulação. Em casos de o nível da solução ser abaixo do 
esperado é possível se atingir grandes coeficientes de troca de calor, mas em caso de ser 
muito abaixo, pode causar incrustações. Esse tipo de evaporador não é recomendado para 
a separação de espuma e também para operações com substâncias termossíveis. É 
interessante salientar que esse tipo de evaporador possui tubos horizontais e verticais. 
Os que possuem tubos horizontais são recomendados para sistemas que não 
apresentará depósitos de sólido e que não ocorra a espumação. A problematização desse 
tipo é a incrustação da solução evaporante, que devido a mesma se acumular na região 
exterior dos tubos ocasiona perda de eficiência. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ilustração de evaporador de tubos horizontais. Fonte: (BEQ, 2020). 
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Já os que possuem tubos verticais, o sistema que se quer concentrar atinge seu 
ponto de ebulição no interior dos tubos verticais e o vapor entra em uma câmara onde os 
tubos passam. Nesse tipo de evaporador é possível realizar operações com líquidos mais 
viscosos, porém sua circulação ocorre de forma lenta, assim como também não é eficiente 
da destruição de espuma. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ilustração de evaporador de tubos verticais. Fonte: (BEQ, 2020). 
2.1.2 Evaporadores de circulação forçada 
Esse tipo de evaporador utiliza a elevação da velocidade de escoamento do sistema 
para que se atinja um coeficiente global de transferência de calor maior. São muito 
utilizados para soluções que apresentam uma alta viscosidade ou que tenham tendência a 
incrustar. 
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Nesses tipos de evaporadores a solução é bombeada com utensilio de um trocador 
de calor. 
a) Ilustração de evaporador de circulação forçada horizontal. b) Evaporador de 
circulação forçada. Fonte: (BEQ, 2020). 
2.1.3 Evaporadores de película 
Esses evaporadores são classificados com relação ao fluxo que eles possuem, 
ascendente ou descendente. 
Os de classificação ascendente são os mais utilizados na indústria, na operação 
desse, o fluxo vai da parte inferior para a parte superior onde a mistura entre líquido e 
vapor se encontram com uma chicana de impacto, que tem a função de barrar o líquido. 
Esse tipo de evaporador pode ser facilmente operado. 
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Ilustração de evaporador de película ascendente. Fonte: (BEQ,2020). 
Já os evaporadores de película que possuem fluxo descendente a alimentação é 
realizada no topo o evaporador para que ela escoa como uma película pela parede interna, 
o maior problema desse tipo de evaporador é manter a distribuição uniforme do fluido. 
 
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Ilustração de evaporador de película descendente. Fonte: (BEQ, 2020). 
2.2 Classificação dos evaporadores quanto a sua construção 
2.2.1 Evaporador de tubo liso 
Esse tipo de evaporador geralmente é 
construído com tubos, sendo eles de aço, cobre ou 
de alumínio. O aço normalmente é utilizado para 
grandes tubulações e o cobre com outros 
refrigerantes. Os evaporadores de tubo liso são 
muito utilizados no armazenamento frigorífico, no 
qual tem-se a necessidade de movimentação de ar 
em baixa velocidade. Ele pode ser construído em 
serpentina plana com formato ziguezague ou em 
serpentina espiral. 
Ilustração de evaporadores do tipo tubo liso. a) plana ou ziguezague. b) serpentina 
espiral. Fonte: (OLIVEIRA, 2018). 
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2.2.2 Evaporadores de placa 
Existem diversas formas de construção de evaporadores de placa, o mais 
comumente utilizado é construídocom duas placas soldadas de maneira que elas fiquem 
por onde passa o fluido refrigerante, esse tipo é bastante utilizado em refrigeradores 
domésticos. 
Outro tipo muito comum de ser utilizado é formado com duas placas planas e 
paralelas a tubos simples. Os tipos de evaporadores de placa possuem uma fácil limpeza, 
sua fabricação é econômica e são muito fáceis de moldar. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Foto de evaporadores de placa. Fonte: (UFPR, 2018). 
2.2.3 Evaporadores de tubos aletados 
Esse tipo de evaporador são evaporadores de tubo que atravessam placas que são 
perfuradas e paralelas (aletas). É extremamente importante que as aletas estejam 
diretamente ligadas aos tubos, tendo em vista que transmitem o calor para os tubos 
refrigerantes. Uma das vantagens de utilizar as aletas, é que as mesmas aumentam a área 
de troca térmica. 
 
 
 
 
 
 
 
Foto de evaporador de tubos aletados. Fonte: (UFPR, 2018). 
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2.3 Equações utilizadas em projetos de evaporadores 
2.3.1 Balanço de massa global 
F=V+L 
Onde: 
F é a alimentação de entrada; 
V é a vazão mássica de vapor formado; 
L é a vazão mássica do concentrado. 
2.3.2 Balanço por componente 
XF∙F= XL∙L 
XF é a fração mássica de soluto em F; 
XL é a fração mássica do concentrado. 
2.3.3 Balanço de energia 
F ∙ CPF∙(Tf- T
*)+Q=V ∙ HVV+ CPL∙(TL- T
*) 
Onde: 
Tf é a temperatura da alimentação; 
HVV é a entalpia do vapor formado; 
T* é a temperatura de referência, geralmente igual a 273,15 K. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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3. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
RODRIGUES, Luana. Trocadores de Calor: o que são e sua aplicação na 
indústria. CONSULTEQ, 12 maio 2020. Disponível em: 
https://consulteq.com.br/trocadores-de-calor/. Acesso em: 13 dez. 2020. 
SOUZA, Weverton Nazario Teixeira de; MANZELA, André Aleixo. Otimização 
de Desempenho de Trocadores de Calor Compactos. Revista de Engenharia da 
Faculdade Salesiana, [S. l.], ano 2015, n. 1, p. 33-44, 6 ago. 2015. Disponível em: 
http://www.fsma.edu.br/RESA/Edicao1/FSMA_RESA_2015_1_03.pdf. Acesso em: 13 
dez. 2020. 
GARCIA, Camila Teles de Rietra. TROCADORES DE CALOR. BEQ, [s. l.], 14 
jun. 2019. Disponível em: https://betaeq.com.br/index.php/2019/06/14/trocadores-de-
calor-3/. Acesso em: 13 dez. 2020. 
UFSC, Polo. TROCADORES DE CALOR. FMANAGER, [S. l.], p. 1-94, 5 set. 
2016. Disponível em: 
http://www.polo.ufsc.br/fmanager/polo2016/materiais/arquivo16_1.pdf. Acesso em: 13 
dez. 2020. 
UFPR (Paraná). Universidade. EVAPORADORES. EVAPORADORES, [s. l.], 
3 ago. 2018. Disponível em: 
https://docs.ufpr.br/~rudmar/refri/material/8_EVAPORADORES.pdf. Acesso em: 15 
dez. 2020. 
LAZZAROTTO, Jaqueline. EVAPORADORES. BEQ, [s. l.], 6 mar. 2020. 
Disponível em: https://betaeq.com.br/index.php/2020/03/06/evaporadores/. Acesso em: 
15 dez. 2020. 
OLIVEIRA, Alessandra Lopes de. EVAPORADORES. USP, [s. l.], 9 abr. 2018. 
Disponível em: 
https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/4444130/mod_resource/content/1/Aula4evapor
ador2018.pdf. Acesso em: 15 dez. 2020.