Noções de Trocadores de Calor

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ENERGIA
Energia, apesar de ser algo tão “familiar”, é difícil de ser
conceituada.
Do grego “ergos” significa trabalho. Pode ser entendida com uma
capacidade de transformação...
Existem várias formas de energia:
Mecânica;
Elétrica;
Hidráulica;
Eólica;
Térmica;
Nuclear;
Solar;
Etc.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Calor é o nome dado à energia transferida entre um sistema / 
volume de controle e sua vizinhança devido a uma diferença de 
temperatura entre estes meios. Calor é transferido, 
espontaneamente, do meio de maior temperatura para o de 
menor temperatura. Vale destacar que o calor é uma “energia 
em trânsito”, ou seja, só se “identifica” o calor na interface entre 
um sistema / volume de controle e sua vizinhança. Logo, não faz 
sentido falar em “calor de um corpo”.
CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Unidades de energia (Calor):
Sistema Internacional (SI):
J (joule) = N (newton) x m (metro)
E ainda:
lbf x ft = 1,36 J
kgf x m = 9,81 J
Btu (British thermal unit) = 1055 J
cal = 4,19 J
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
CALOR
Unidades de potência:
Sistema Internacional (SI):
W (watt) = J (joule) / s (segundo)
E ainda:
hp = 746 W
kgf x m / s = 9,81 W
cv = 736 W
Btu / h = 0,293 W
kcal / h = 1,16 W
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Qsensível = m * c * DT
Calor sensível
Qsensível: calor sensível;
m: massa;
c: calor específico (a pressão constante ou a volume constante – depende do
processo);
DT: incremento ou decréscimo de temperatura.
Calor sensível é a quantidade de energia a ser fornecida / retirada a /
de uma determinada massa para incrementar / reduzir sua
temperatura:
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Unidades de calor específico:
Sistema Internacional (SI):
J / (kg * K)
E ainda:
Btu / lbm / ºF = 4187 J / (kg * K)
kcal / kg / ºC = 4187 J / (kg * K)
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Qlatente = m * clatente
Calor latente
Qlatente: calor latente;
m: massa;
clatente: calor latente (depende do processo - vaporização, fusão etc.)(specific
latent heat ).
Calor latente é a quantidade de energia a ser fornecida / retirada a / de uma
determinada massa para que ocorra a mudança de sua fase (de líquido para
vapor, por exemplo):
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Anteriormente vimos que o calor é uma forma de energia em trânsito, que se
transfere de um corpo para outro em virtude da diferença de temperatura
entre eles, indo do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.
Verifica-se que esta transferência pode ocorrer de três maneiras: por
condução, por convecção e por radiação.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
- transmissão de movimentos em nível atômico ou molecular;
- pode ocorrer nos sólidos, líquidos (em repouso) e gases (em repouso);
- corpos mais densos têm maior facilidade para conduzir calor.
Condução
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
e
TAk
Qcond
D

e
Qcond
T2
T1
h
b
Parede plana homogênea de espessura pequena em relação às demais
dimensões:
DT: diferença entre as temperaturas nas faces da parede (T1 – T2);
e: espessura da parede.
A = b * h
k: condutividade térmica do material
Condução
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
- movimento macroscópico do fluido (advecção), além da condução na interface
do fluido com a superfície.
Convecção
TAhQconv D
Qconv: taxa de transferência de calor por convecção;
h: coeficiente convectivo de transferência de calor;
A: área de contato do fluido com a superfície;
DT: diferença de temperatura entre o fluido e a
superfície.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
- emitida por qualquer corpo de temperatura não nula.
Radiação
Quando um corpo recebe radiação, parte é
absorvida, parte é transmitida e parte é
refletida.
Chama-se corpo negro aquele que absorve
toda a radiação que recebe e emite o
máximo possível de energia na forma de
calor (e = 1).
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Equação de Stefan-Boltzmann:
Radiação
44
sup vizrad TTAQ  e
Qrad: taxa de transferência de calor por radiação;
e: emissividade da superfície (capacidade de emitir calor - varia entre 0 e 1);
: constante de Stefan-Boltzmann (5,67 * 10-8 W / (m² * K4) );
A: área de radiação;
Tsup: temperatura (absoluta) da superfície;
Tviz: temperatura (absoluta) da vizinhança.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
TROCADORES DE CALOR
DEFINIÇÃO
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Trocadores (ou permutadores) de calor são 
equipamentos utilizados para implementar a 
troca de calor entre dois fluidos que estão a 
diferentes temperaturas e, geralmente, separados 
por uma parede.
Como exemplos de trocadores de calor temos os 
radiadores de automóveis, caldeiras, 
evaporadores, condensadores, torres de 
resfriamento etc.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
CLASSIFICAÇÃO
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Os trocadores de calor são feitos em tantos 
tamanhos, tipos, configurações e 
disposições de escoamento que uma 
classificação, mesmo que arbitrária, é 
necessária para seu estudo.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO PROCESSO DE TRANSFERÊNCIA
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Quanto ao processo de transferência os 
trocadores de calor podem ser classificados 
como de contato direto ou de contato indireto.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
No tipo de contato direto a transferência de calor 
ocorre entre dois fluidos imiscíveis, como um gás e 
um líquido, que entram em contato direto. Como 
exemplo têm-se as torres de resfriamento.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Nos trocadores de calor de contato indireto os 
fluidos quente e frio estão separados por uma 
superfície sólida, sem se misturarem. Como 
exemplo têm-se os radiadores de automóveis.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
CLASSIFICAÇÃO QUANTO À COMPACTICIDADE
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
A razão entre a área da superfície de transferência de calor 
e o volume do trocador de calor pode ser empregada como 
uma medida do quão compacto é o trocador.
Trocadores de calor compactos são aqueles nos 
quais a área de troca de calor por unidade de 
volume é maior que cerca de 700 m2 / m3.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
CLASSIFICAÇÃO QUANTO À DISPOSIÇÃO DAS CORRENTES DE 
FLUIDOS
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
No escoamento paralelo, que ocorre em tubos 
concêntricos (ou duplos), os fluidos quente e frio se 
movem no mesmo sentido, ou sejam, entram por uma 
mesma extremidade e saem por uma mesma 
extremidade.
No escoamento em contra-corrente os fluidos quente 
e frio entram e saem por extremidades opostas.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Um outro tipo de escoamento é o cruzado, onde as correntes de fluido escoam 
perpendicularmente uma à outra.
É comum a presença de aletas (chapas montadas nos tubos para aumentar a taxa de 
transferência de calor) nos tubos dos trocadores de calor, o que faz com que o 
escoamento seja caracterizado como não misturado, ou seja, o escoamento pode ser 
considerado unidimensional na direção paralela às aletas. Na ausência das aletas o 
escoamento é denominado misturado.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
CLASSIFICAÇÃO QUANTO À FINALIDADE
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
• Trocadores para aquecimento 
Aquecedor ou pré-aquecedor (heater, 
preheater)
Refervedor (reboiler)
Gerador de vapor (steam generator)
• Trocadores para resfriamento 
Resfriador (cooler)
Condensador (condenser)
• Trocador ou intercambiador (exchanger)
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
http://164.85.208.29/WEBFACIL/scripts/structBrTecEng.asp?OBID=kcmrPAebc_aimaimdb---qnT
P-19 - PFD - Compressão gás.pdf
P-35 - PFD - Sistema de água quente.pdf
P-37 - PFD - Desidratação do gás.pdf
TIPOS CONSTRUTIVOS DE TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
•Casco tubos
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Neste tipo de trocador 
de calor pode-se ter 
um ou mais passes 
(passagens) no casco 
e / ou nos tubos.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Tubular Exchangers 
Manufacturers 
Association - TEMANOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
F
e
ix
e
 d
e
 t
u
b
o
s
 c
o
m
 c
h
ic
a
n
a
s
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Arranjo dos tubos
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Tubos aletados
Insertos
Fios retorcidos
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Chicanas (ou defletores) são normalmente utilizadas para 
aumentar a turbulência do escoamento e, por conseqüência, o 
coeficiente convectivo e a taxa de transferência de calor.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Chicanas – arranjos mais comuns.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Chicanas helicoidais
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Classificação geral dos trocadores casco tubos (TEMA)
A TEMA (Tubular Exchanger Manufactures Association) publica normas para 
projeto e construção de trocadores de casco e tubo. Essas especificações servem 
para três classes de trocadores:
Classe R
Para condições severas de processamento de petróleo e produtos químicos. 
Esses são serviços rigorosos em que se deseja obter segurança e durabilidade.
Classe C
Para condições moderadas de operação, tendo em vista a máxima economia e o 
mínimo tamanho, condizentes com as necessidades de serviço.
Classe B
Para serviços de processo de substâncias químicas em condições mais severas 
que o classe C, mas não tanto quanto classe R.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Características
Escolha do fluido
Não há regras fixas que estabeleçam que tipo de fluido deve passar pelos tubos. A escolha do fluido 
que passa pelos tubos ou pelo casco deve atender às melhores condições para o processo, menor 
custo de construção e à facilidade de manutenção.
De maneira geral, passam pelos tubos:
Fluidos mais sujos: com depósitos, coque, sedimentos, catalisadores etc. É mais fácil 
remover a sujeira dos tubos do que do casco;
Fluidos mais corrosivos: é mais econômico usar tubos resistentes à corrosão do que um 
casco com a mesma propriedade. Da mesma forma, é mais fácil substituir tubos furados do 
que o casco;
Fluidos com maior pressão: porque o casco tem menor resistência em virtude do seu 
maior diâmetro;
Fluidos menos viscosos: a menos que a perda da pressão deva ser muito baixa;
Água de resfriamento: facilidade de limpeza;
Fluidos de menor vazão volumétrica: em vista de o casco oferecer mais espaço.
Entre líquidos de propriedades semelhantes, devem passar pelos tubos aqueles de maior pressão e 
maior temperatura.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
•Trocadores tipo tubo 
duplo ou bitubulares
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Características
Trocadores de Placas com Gaxetas
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Características
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Vantagens
Desvantagens
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Trocadores de Placas 
Soldadas
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Características
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Casco e Placas 
PSHE (Plate & Shell Heat Exchanger)
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Características
•Trocadores espirais.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Características
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Printed Circuit Heat Exchangers 
(PCHE)
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Características
•Resfriadores a ar
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
•WHRU
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
P-35 - WHRU.jpg
OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Cuidados na operação
Na partida, seja na primeira operação ou após uma parada, o primeiro 
fluido a entrar no trocador deve ser o mais frio. Se o fluido mais frio 
estiver ligeiramente quente, deixa-se o mesmo entrar, então, de forma 
lenta. Quanto mais quente o fluido, mais lenta deve ser a sua 
penetração no trocador de calor. Na parada, bloqueia-se primeiramente 
a entrada do fluido mais quente. Se isso não for observado, podem 
ocorrer vazamentos nos tubos.
Tanto na partida como na parada, os trocadores de calor devem ser 
aquecidos ou resfriados lentamente. Isso é particularmente importante 
quando as temperaturas de operação são elevadas. A rápida entrada 
de um líquido à alta temperatura pode provocar desigualdades de 
expansão nos tubos, causando vazamentos nos mesmos e 
deformação do feixe.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Atenção especial deve ser dada ao tratamento 
químico, nos diversos processos, para evitar:
•Incrustação
•Corrosão
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Manutenção
A eficiência do trocador de calor depende da limpeza dos tubos. 
Durante a operação, são acumulados, dentro e fora dos tubos, 
depósitos de sais, oxidação, areia, camadas de graxa, corpo de 
microorganismos, incrustação etc., prejudicando bastante a troca 
de calor e a perda de carga do fluido.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Principais processos de limpeza
O depósito de materiais no interior de um trocador de calor deve ser 
acompanhado e combatido, ao longo do seu tempo de uso, através de 
processos de limpeza. Os processos mais comuns adotam:
a) Limpeza por água em contracorrente;
b) Limpeza por vapor (steam out);
c) Limpeza química;
d) Limpeza mecânica.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Realização de testes
Após a parada para inspeção e manutenção dos trocadores de calor, há a 
necessidade de submetê-los a teste de pressão a fim de verificar a 
resistência mecânica das juntas soldadas, da mandrilagem dos tubos nos 
espelhos e a estanqueidade dos dispositivos de vedação.
Os testes de pressão podem ser efetuados com água (hidrostático). Quando 
isso não for possível, poderá ser feito o teste pneumático.
As pressões de teste são definidas pelo código ASME (American Society of 
Mechanical Engeneers). O casco e o feixe deverão ser testados 
separadamente.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
O teste do casco permite, geralmente, localizar vazamentos nos seguintes 
pontos:
Mandrilagem dos tubos;
Junta entre casco e espelho fixo; 
Tubos; 
Casco e suas conexões. 
O teste do feixe permite, geralmente, localizar vazamentos nos seguintes 
pontos:
Junta da tampa do carretel;
Junta entre carretel e espelho fixo; 
Junta da tampa flutuante; 
Carretel, sua tampa e conexões. 
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
PROJETO
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
O projeto de um trocador de calor pode ser dividido 
em três partes:
- Análise térmica: determinação da área necessária à 
transferência de calor para dadas condições de 
temperatura e escoamento;
- Projeto mecânico: análise das temperaturas e pressões 
de projeto, características dos fluidos envolvidos e 
aspectos térmicos relacionados a expansões e tensões;
- Fabricação: definição dos procedimentos de 
fabricação; construção / montagem dos 
componentes.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Normas
API STD 660 Shell-and-Tube Heat Exchangers 
Eighth Edition (Current) 2007-08-01
N-466 - PROJETO DE TROCADOR DE CALOR CASCO E TUBO
N-2511 - INSPEÇÃO EM SERVIÇO DE TROCADORES DE CALOR
http://nte-net.engenharia.petrobras.com.br/intraspex/intraspex.dll
http://nortec.engenharia.petrobras.com.br/frame.asp?cod=N-0466
http://nortec.engenharia.petrobras.com.br/frame.asp?cod=N-2511
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
DISTRIBUIÇÃO DE TEMPERATURA NOS TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
A transferência de calor do fluido quente para o fluido frio ao longo do trocador 
de calor provoca variação da temperatura de um ou de ambos os fluidos.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Um conceito importante no estudo de trocadores de 
calor é o de coeficiente global de transferência de 
calor, o qual representa uma medida da intensidade 
da troca de calor com referência à diferença total detemperatura, ou seja, a diferença de temperatura 
entre os fluidos quente e frio.
No caso de trocadores de calor, levando-se em 
consideração as resistências de contato provenientes 
de deposição de impurezas nos lados interno e 
externo dos tubos (fatores de incrustação), temos:
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
       
h
A h 
0
η
1
 
h
A 
0
η
hf,
R"
 
w
R 
c
A 
0
η
cf,
R"
 
c
A h 
0
η
1
 
h
A 
h
U
1
 
c
A 
c
U
1
 
A U
1













U: coeficiente global de transferência de calor;
A: área de troca de calor;
h0: eficiência global da superfície ou efetividade de temperatura;
h: coeficiente convectivo de troca de calor;
R”f: fator de incrustação;
Rw: resistência térmica da parede do duto;
Subscrito c: lado do fluido frio;
Subscrito h: lado do fluido quente.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Os fatores de incrustação (R”f,c e R”f,h) variam 
durante a operação do trocador (aumentam com 
o passar do tempo).
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
A DIFERENÇA DE TEMPERATURA MÉDIA LOGARÍTMICA (DTML)
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Na análise de trocadores de calor é essencial relacionar a taxa total 
de transferência de calor a grandezas tais como as temperaturas de 
entrada e saída dos fluidos, o coeficiente global de transferência de 
calor e a área total da superfície para troca de calor.
lm
ΔT A U q 


















1
ΔT
2
ΔT
ln
1
ΔT - 
2
ΔT
 
2
ΔT
1
ΔT
ln
2
ΔT - 
1
ΔT
 
lm
ΔT
ec,
T - 
sh,
T 
2
ΔT e 
sc,
T - 
eh,
T 
1
ΔT :contrárias correntes de trocador um Para
sc,
T - 
sh,
T 
2
ΔT e 
ec,
T - 
eh,
T 
1
ΔT :paralelas correntes de trocador um Para


NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Vale destacar que para as mesmas temperaturas de 
entrada e saída, DTlm para correntes contrárias é 
maior que para correntes paralelas, o que faz com 
que a área necessária para uma dada taxa de 
transferência de calor seja menor para o arranjo com 
correntes contrárias.
Verifica-se também que para arranjos em correntes 
contrárias Tc,s pode ser maior que Th,s, o que não 
ocorre nos casos de correntes paralelas.
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
SIMULADORES
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
BIBLIOGRAFIA
- Bejan, Adrian, 1996, Transferência de Calor, tradução da 1ª edição, São Paulo, Edgard Blücher.
- Chapman, A. J., 1984, Heat Transfer, 4ª edição, New York, Macmillan Publishing Company.
- Holman, Jack Philip, 1983, Transferência de Calor, tradução da 5ª edição, São Paulo, McGraw-Hill do
Brasil.
- Incropera, Frank P.; Dewitt, David P., 2002, Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, tradução
da 5ª edição, Rio de Janeiro, LTC.
- Isachenko, Victor P.; Osipova, Varvara A.; Sukomel, Alexander S., 1977, Heat Transfer, tradução da 3ª
edição, Moscow, Mir Publishers.
- Kern, Donald Q., 1982, Processos de Transmissão de Calor, tradução da 1ª edição, Rio de Janeiro,
Guanabara Dois.
- Kreith, Frank; Bohn, Mark S., 1991, Princípios de Transferência de Calor, tradução da 3ª edição, São
Paulo, Thomsom Pioneira.
- Özisik, M. Necati, 1990, Transferência de Calor - Um Texto Básico, tradução da 2ª edição, Rio de Janeiro,
Guanabara Koogan.
- Telles, Pedro Carlos da Silva, 1996, Vasos de Pressão, 2ª edição, Rio de Janeiro, LTC.
-Thomas, L. C., 1985, Fundamentos da Transferência de Calor, tradução da 1ª edição, Rio de Janeiro,
Prentice-Hall do Brasil.
- Perry, Robert H. 1999, Chemical Engineers’Handbook – capítulo 11
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
http://www.universidade.petrobras.com.br/manuais/perry/DOCS/Chap11.pdf
Fórum
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Fornecedores
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
www.bronswerk.com
www.expandermanutencao.com.br
www.gea-heatexchangers.com
www.vahterus.com
www.kochheattransfer.com
www.alfalaval.com
www.jaraguaequipamentos.com
www.tranter.com
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Bloco 108 (G) – 2° andar
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Projeto de Modificações
Imbetiba
Bloco 105 (A) – 3º andar
Martim Heberle – clvx – 8610104
UO-BC/PCM/PROJM
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