T1_OpIII_Gabriel da Costa Peçanha_ Trocadores de Calor Bitubular

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AVALIAÇÃO 1 – 
TROCADORES DE CALOR 
BITULARES 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Niterói, 2021 
 
 
 
Relatório: AVALIAÇÃO 1 – TROCADORES DE CALOR BITULARES 
Aluno: Gabriel da Costa Peçanha 
Data: 23.junho.2021 
 
 
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SUMÁRIO 
 
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................................ 3 
1.1 Objetivo ......................................................................................................................................... 3 
1.2 Escopo do Estudo de HAZOP ...................................................................................................... 3 
1.3 Estrutura padrão do Trocador de Calor Bitubular .................................................................... 3 
2. NORMA TEMA - TUBULAR EXCHANGER MANUFACTURERS ASSOCIATION ............ 7 
3. TROCADORES BITUBULARES – METODOLOGIA ......................................................... 10 
4. APLICAÇÃO NA INDUSTRIA ................................................................................................ 15 
4.1 Uso Comum ................................................................................................................................. 15 
5. CONCLUSÃO ............................................................................................................................ 16 
6. REFERÊNCIA BIBLIOGRAFICA .......................................................................................... 16 
 
 
 
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Relatório: AVALIAÇÃO 1 – TROCADORES DE CALOR BITULARES 
Aluno: Gabriel da Costa Peçanha 
Data: 23.junho.2021 
 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
1.1 Objetivo 
o objetivo do presente relatório é detalhar componentes/estrutura/aplicações referentes aos 
trocadores de calor bitubulares. 
1.2 Escopo do Estudo de HAZOP 
O processo de remoção ou adição de calor a um sistema líquido ou gasoso é indispensável em 
qualquer processo industrial. Por se tratar de algo tão fundamental, os conhecimentos acerca do 
funcionamento dos trocadores de calor, principalmente ao que se refere ao seu projeto, são 
imprescindíveis para se promover quaisquer atividades operacionais oriundos de processos 
industriais. Os trocadores de calor do tipo bitubulares, tema do trabalho apresentado, são bastante 
utilizados, seja em indústrias de base, de bens intermediários ou de bens de consumo e, portanto, 
são alvos de estudos de engenharia para cálculo dimensionamento ou otimização. Durante a 
disciplina de Operações Unitárias III, é apresentado aos alunos cálculos bases e este trabalho tem 
o intuito de aprofundar os conhecimentos acerca dele, facilitando também a compreensão dos 
princípios físicos que regem a troca de calor entre dois fluidos. 
1.3 Estrutura padrão do Trocador de Calor Bitubular 
 
A unidade básica que constitui este tipo de trocador de calor é formada por duas estruturas tubulares 
concêntricas, onde a tubulação externa envolve a interna e, no interior de cada uma delas escoará 
um dos fluidos de troca térmica. Isto ocorre sem permitir que estes fluidos entrem contato 
diretamente, proporcionando, assim, apenas a troca de calor entre as duas correntes de líquido ou 
gás que adentrarão o equipamento. A unidade possui um formato de ferradura e é denominada 
grampo. 
Figura 1-1: Diagrama simplificado de uma etapa do trocador de calor 
 
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Figura 1-2 – Visão espacial da mesma etapa do trocador de calor da figura 1-1 
 
 
 
Estes tipos de trocadores são constituídos, majoritariamente, por um conjunto de grampos, 
mostrados na figura 1-1 e 1-2, m que formam uma serpentina por onde um dos fluidos escoará no 
interior do tubo interno e o outro fluido escoará no interior do tubo externo e sobre a face exterior 
do tubo interno, consequentemente. Através deste contato, ocorrerá o processo de transferência de 
calor por convecção, tendo em vista que os dois fluidos em temperaturas diferentes estarão em 
movimento. A transferência de calor por condução que se dá através da parede do tubo interno não 
é contabilizada devido ao pequeno valor de espessura desta tubulação. A troca de calor entre o 
fluido de escoamento externo ao tubo interno e a parede do tubo externo também é desconsiderada 
nos cálculos de projeto. 
A figura 1-3 mostra as estruturas internas do trocador de calor, onde passa uma corrente dentro do 
da tubulação ao qual esta inserida no casco. 
 
 
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Figura 1-3: Estruturas internas do trocador de calor 
 
 
A tubulação mais interna do equipamento possui formato longitudinal na porção envolvida pelo 
tubo externo, como mostrado na figura 1-3, podendo ou não ser aletada. Nesta seção, a transferência 
de calor ocorre principalmente no sentido axial. A presença de aletas aumenta a área de troca 
térmica entre os fluidos, possibilitando um aumento da quantidade de calor trocada entre eles. No 
entanto, este componente pode também ser prejudicial ao projeto, pois a perda de carga dos fluidos 
aumenta à medida que a quantidades de acidentes aumentam (joelho). Estes obstáculos físicos 
aumentam o custo de funcionamento do equipamento, pois demandará maior gasto energético para 
bombeamento dos fluidos. 
A tubulação interna do equipamento também possui uma porção que não é envolvida pelo tubo 
externo e é responsável pela conexão entre cada parte da estrutura. Este trecho da tubulação interna 
possui formato de ferradura e é denominado curva de retorno. Para cada grampo do equipamento 
existe uma curva de retorno. 
Além dos tubos cilíndricos concêntricos por onde os fluidos de troca térmica escoarão, o 
equipamento possui estruturas auxiliares que são encarregadas de guiar o os fluidos para o interior 
do trocador e, também, de uma seção para outra. Essas estruturas são acoplamentos hidráulicos, ou 
flanges, próprios para trocadores de calor. 
A tubulação externa envolve a porção longitudinal dos tubos internos em cada porção da estrutura. 
Cada grampo contém duas tubulações externas e todas elas são interligadas através de tubulações 
auxiliares do tipo “Te”, permitindo, assim, que o fluido de escoamento mais externo percorra todo 
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o caminho dento do equipamento. A transferência de calor nessa seção ocorre principalmente de 
forma radial. 
Figura 1-4: Flanges de Aço Inoxidável – usados comumente no trocador analisado 
 
 
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2. NORMA TEMA - TUBULAR EXCHANGER MANUFACTURERS ASSOCIATION 
A TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association - Associação de Fabricação de Trocador 
Tubular) é uma norma americana que serve de base para projetos nacionais e internacionais sendo 
citada em procedimentos internos de empresas como a Petrobras. Sua versão mais atual encontra-
se na décima edição – data do ano de 2019. Seu preço atual é de U$650,00, o que não cotação atual 
custa por volta de R$3380,00. Na figura 2-1 é apresentado o site da Norma, www.tema.org, e seu 
preço. 
Figura 2-1: Site de compra da Norma TEMA 
 
 
 
A TEMA é uma norma de padronização de construção mecânica dos trocadores de calor tubulares, 
que leva em consideração diferentes tipos de classes, sendo elas: 
1.Casco com passe único: TIPO TEMA E. 
Os bocais de entrada e saída do casco são localizados em extremidades opostas, podendo ser 
locados de um mesmo lado ou em lados opostos do casco dependendo do número de chicanas. 
2.Casco com dois passes: TIPO TEMA F. 
Trocadores com dois passes no lado do casco utilizam uma chicana longitudinal e sua utilização 
tem certas limitações. Com o objetivo de serevitar espessura excessiva de chicana longitudinal, 
este tipo não é normalmente utilizado quando a perda de carga no casco é elevada isto é , acima de 
0,7 bar. Também deve ser evitada sua utilização quando a diferença entre as temperaturas de 
entrada e saída do casco excedem a marca de 180°C, para evitar a excessiva perda de calor do 
fluido de um dos passes para o outro através da chicana longitudinal, bem como evitar tensões 
térmicas na referidas chicanas, casco e espelhos. 
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A escolha entre um casco tipo “E” e outro tipo” F” depende das temperaturas inicias e terminais 
dos fluidos de serviço, o que é calculado no projeto térmico do trocador. Quando a escolha do tipo 
de casco, recai sobre o tipo “F” devido, a problemas construtivos inerentes a ele, tende-se sempre 
a optar-se pela utilização de dois cascos tipo “E” em serie. 
3.Casco com fluxo bipartido: TIPO TEMA G. 
No trocador tipo “G”, o fluxo do casco é dividido em dois na sua parte intermediaria e cada metade 
atua como se fosse um casco tipo “F”. Ou seja, casco com dois passes e chicana longitudinal. 
4. Casco com fluxo duplamente bipartido: TIPO TEMA H. 
No casco “H”, existem duas entradas e duas saídas para o fluxo e cada metade do trocador opera 
como um casco tipo “G”. 
5.Casco com fluxo dividido: TIPO TEMA J. 
Um casco com fluxo dividido tem um bocal de entrada central e dois bocais de saída ou vice-versa. 
Neste tipo, no centro do bocal de entrada é colocada uma chicana que divide o fluxo total em dois 
iguais. O número total de chicanas para este tipo, é sempre impar, com cada uma das metades do 
casco tendo número par de chicanas. 
Este tipo de casco representa uma opção a tipo “E”, quando a perda de carga no lado do casco 
exigir a adoção de cascos tipo “E” em paralelo, tendo em vista que através de cada metade do casco 
estará circulando metade do fluxo total. 
6. Casco tipo chaleira: TIPO TEMA K. 
O casco tipo chaleira é utilizado somente para refervedores (reboilers) com vaporização total, ou 
em vaporizadores de planta de potência, que utilizam o calor do vapor exausto das turbinas para 
produzir água pura por destilação. Os feixes tubulares usados com o casco tipo chaleira podem ser 
tubos em “U”, cabeçotes flutuantes ou com espelhos fixos. 
7. Casco com fluxo cruzado: TIPO TEMA X. 
O trocador de calor com casco tipo “X”, embora não seja normalmente utilizado, representa uma 
opção quando a perda de carga admissível do lado do casco é muito pequena. Um trocador de calor 
com casco “X”, seria em primeira aproximação equivalente a diversos trocadores colocados em 
paralelo. 
É apresentado na norma também: nomenclaturas importantes na hora do dimensionamento, as 
tolerâncias de fabricação, o nível de performance do equipamento, como instalar, operar e fazer a 
manutenção e diversas aplicações na hora de projetar, comissionar, operar diferentes tipos de 
trocadores de calor tubulares. É possível no site acessar a 8 edição da norma onde, pelo sumário, 
consegue-se ver os principais pontos que serão abordados. 
A figura 2-2 mostra o sumário da 8 edição 
 
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Figura 2-2: Sumário da norma TEMA – 8ª ed. – Língua Inglesa 
 
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3. TROCADORES BITUBULARES – METODOLOGIA 
Para as avaliações quantitativas necessárias para o projeto de trocadores de calor do tipo bitubular, 
existem duas propriedades fundamentais que devem ser avaliadas: a transmissão de calor e a perda 
de carga dentro de cada tubulação. Elas regem o sistema de cálculos e estabelecem diversos fatores 
importantes para o projeto, como o consumo de energia que será exigido para impulsionar os 
fluidos por dentro do equipamento, a variação de temperatura que cada fluido obterá após o 
processo, além de avaliar fatores de incrustação que podem ser gerados com a passagem dos fluidos 
pelas seções tubulares. 
Figura 3-1: Corte transversal da seção de tubos coaxiais que compõem um trocador bitubular 
 
 
Inicialmente, para a modelagem dos cálculos, consideraremos que as trocas térmicas ocorrem por 
convecção (Lei de Resfriamento de Newton) e condução (Lei de Fourier), desprezando-se as trocas 
de calor pela parede do tubo externo: 
Condução: 𝑞 = −𝐾𝐴 
Convecção: 𝑞 = ℎ 𝐴 𝑑𝑇 
Onde h é o coeficiente de película ou de transmissão de calor por convecção, 
 °
; 
 °
; 
 
. A é a área de troca térmica do sistema, 𝐾 é o coeficiente de transmissão de calor por 
condução através da parede do tubo e dT é a variação de temperatura ocasionada pela transferência 
de calor (gradiente de temperatura). 
A Taxa de calor total do sistema é dada por: 
 
𝑞 = ℎ𝑖 𝐴𝑖 (𝑇 − 𝑇 ) + 2𝜋𝐿𝐾
(𝑇 − 𝑇 )
𝑙𝑛
+ ℎ𝑜 𝐴𝑜 (𝑇 − 𝑇 ) 
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Logo, 
∴ (𝑇 − 𝑇 ) = 𝑞
1
ℎ𝑖 𝐴𝑖
 +
𝑙𝑛
2𝜋𝐿𝐾
+ 
1
ℎ𝑜 𝐴𝑜
= 𝑞 𝑅𝑡 = 𝑞
1
𝑈 𝐴
 
 
Onde U é o coeficiente global de troca térmica, 
 °
,
 °
; 
 
, que também pode ser 
definido como: U =
 
, onde A é a área total de troca térmica e Rt é a resistência total oferecida 
pelo sistema. 
 
1
𝑈 𝐴
=
1
ℎ𝑖 𝐴𝑖
 +
𝑙𝑛
2𝜋𝐿𝐾
+ 
1
ℎ𝑜 𝐴𝑜
 
 
Desprezando-se o termo de condução (K→∞), temos: 
 
1
𝑈 𝐴
=
1
ℎ𝑖 𝐴𝑖
 + 
1
ℎ𝑜 𝐴𝑜
 
 
 
Caso 𝐴 → 𝐴𝑖: =
 
 + 
 
 
Caso 𝐴 → 𝐴𝑜: =
 
 + 
 
 
 
Sabendo que o coeficiente de película interno referido à área externa é dado por ℎ𝑖𝑜 = ℎ𝑖 , pode-
se reescrever Uo da seguinte forma: 
 
1
𝑈
= 
1
ℎ𝑖𝑜 
+
1
ℎ𝑜 
=
ℎ𝑖𝑜 + ℎ𝑜
ℎ𝑖𝑜 ℎ𝑜 
 
 
∴ 𝑈 =
ℎ𝑖𝑜 ℎ𝑜
 ℎ𝑖𝑜 + ℎ𝑜
= 𝑈 
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Uc é o coeficiente global limpo, que é aplicado somente quando o sistema não apresenta formação 
de incrustações ou presença de aletas na tubulação interna. 
No entanto, para sistemas reais, sempre existirá formação de incrustações causadas pelos fluidos 
de escoamento. Portanto, calcula-se um fator de Incrustação Rd que serve para corrigir o valor do 
coeficiente global de troca térmica, contabilizando-se a perda da eficiência do sistema ocasionada 
pelas incrustações formadas nas superfícies externa (RDo) e interna (RDi) da tubulação. 
1
𝑈
=
1
𝑈
+ 𝑅 =
1
𝑈
+ 𝑅 + 𝑅 
Pode-se definir, portanto, um coeficiente global de troca térmica para a transferência de calor no 
trocador como UD, que é o Coeficiente Global do Projeto. Desse modo, a equação que descreve a 
Transmissão de Calor adaptada para o projeto é dada por: 
𝑞 = 𝑈 𝐴 ∆𝑇 
Como a troca térmica no sistema é realizada por dois fluidos de diferentes naturezas e durante um 
determinado intervalo de tempo, muitas vezes, ao final do processo, estes terão diferentes valores 
de variação de temperatura (∆𝑇 ≠ ∆𝑇 , sendo ∆𝑇 a variação de temperatura no terminal frio e 
∆𝑇 a variação de temperatura no terminal quente). Quando isto acontece, precisa-se calcular a 
diferença de temperatura média logarítmica (LMTD), que é dada por: 
𝐿𝑀𝑇𝐷 =
∆𝑇 − ∆𝑇
𝑙𝑛
∆
∆
 
Este cálculo pode ser aplicado para os seguintes quatro casos: 
 
 (I) Fluidos escoando paralelamente sem mudança de 
estado físico. (10) 
(II) Fluidos escoando contracorrente sem mudança de estado 
físico. (10) 
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Obs.: Para casos onde pelo menos um dos fluidos apresenta viscosidade µ>1cP no terminal frio, ao 
invés do LMTD, deverá ser calculada as temperaturas calóricas para o fluido quente (Tc) e para o 
fluidofrio (tc), dadas por: 
Tc = T + Fc(T − T ) tc = t + Fc(t − t ) 
A fração calorífica Fc é obtida no gráfico “AVERAGE FLUID TEMPERATURE” presente na 
pág.827 do Kern (Internetional Student Edition). 
Importante lembrar que o coeficiente convectivo (h) é uma função do número de Nusselt (Nu), que 
é um parâmetro adimensional que relaciona o fluxo de calor convectivo com o fluxo de calor por 
condução: 
𝑁𝑢 =
ℎ𝐿
𝐾
 
Para cada caso de escoamento, levando-se em consideração fatores como temperatura, velocidade 
de escoamento e área de troca térmica, existem valores de Nu tabelados na literatura. 
Análise do escoamento: 
Através desta análise, é possível calcular as perdas de carga que cada fluido sofre dentro do 
equipamento. Os projetos para implementação de trocadores de calor costumam especificar um 
valor limite de perda de carga total que o sistema pode atingir, geralmente determinada pela 
capacidade de bombeamento de fluidos que a planta industrial possui. Normalmente, a faixa de 
perda de carga recomendada é entre 5 e 10 psi. 
A Perda de Carga total do sistema pode ser calculada através da seguinte expressão: 
∆𝑃 =
∆𝐹 𝜌
144
 [𝑝𝑠𝑖] 𝑜𝑛𝑑𝑒: ∆𝐹 = ∆𝐹 + ∆𝐹 + ∆𝐹 
∆Fp é a perda de carga no tubo interno, dada por: 
∆𝐹 =
 4𝑓𝐺 𝐿
2𝑔𝜌 𝐷
 [𝑓𝑡] 
(III) Fluido frio sofrendo mudança de 
estado físico durante a troca térmica. (11) 
(III) Fluido quente sofrendo mudança de 
estado físico durante a troca térmica. (3) 
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Onde: 
f: fator de atrito (=16/Re para regime laminar e =0,0035+(0,264/Re0,42) para regime turbulento); 
G : Fluxo mássico; 
L: Comprimento do tubo interno; 
g: aceleração da gravidade; 
ρ: massa específica do fluido; 
D: Diâmetro do tubo interno. 
Neste caso, as perdas de cargas localizadas são desconsideradas. 
O escoamento no tubo externo ocorre na direção radial da tubulação, e, portanto a perda de carga 
é avaliada no anel e é dada por: 
∆𝐹 =
 4𝑓𝐺 𝐿
2𝑔𝜌 𝐷 ′
 [𝑓𝑡] 
Onde: 
f: fator de atrito (=16/Re’ para regime laminar e =0,0035+(0,264/Re’0,42) para regime turbulento); 
Ga : Fluxo mássico do fluido que escoa no anel; 
L: Comprimento do tubo interno; 
g: aceleração da gravidade; 
ρ: massa específica do fluido; 
De’: Diâmetro equivalente para a perda de carga (De’=D-d). 
 
O Re’ é um novo número de Reynolds calculado para esse caso, dado por: 𝑅𝑒’ =
 ’ .
µ
 
As Perdas de Carga Localizadas no anel não podem ser desprezadas, sendo calculadas por: 
∆𝐹 =
𝑛 𝑣
2𝑔
[𝑓𝑡] 
Onde: 
n: número de grampos; 
v : velocidade de escoamento do fluido no anel (v= G/3600ρ); 
g: aceleração da gravidade. 
 
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4. APLICAÇÃO NA INDUSTRIA 
4.1 Uso Comum 
Além do baixo custo (comparado aos demais equipamentos de troca térmica disponíveis no 
mercado), este equipamento apresenta outras vantagens, devido a sua capacidade de acomodar bem 
a expansão térmica de suas tubulações, sem necessitar de juntas de dilatação. Consequentemente, 
este tipo trocador consegue suportar altos valores de pressão gerados por grandes vazões de fluido, 
bem como também suportar altas temperaturas e escoamento de líquidos viscosos em seu interior. 
Portanto, apesar de fornecer menor área de troca térmica em comparação a outros tipos de 
trocadores, este tipo de equipamento ainda possui muitas aplicações dentro da indústria. 
Um exemplo disso, é o processo de pasteurização de bebidas não alcoólicas, como é o caso do leite, 
que necessita de um tratamento térmico capaz de, simultaneamente, esterilizar o líquido e manter 
suas propriedades nutricionais e organolépticas. Esta técnica realizada com trocadores bitubulares 
permite prolongar prazo de validade de alimentos sem a necessidade de conservantes, que em sua 
maioria são artificiais, podendo ser prejudiciais a saúde humana. 
Figura 4-1: Trocador bitubular utilizado em indústrias do ramo alimentício 
 
 
Figura 8: Trocador bitubular utilizado em indústrias do ramo alimentício 
Uma outra aplicação dos trocadores de calor do tipo bitubular é na indústria petrolífera, no processo 
de desemulsificação do petróleo cru com o objetivo de reduzir sua salinidade, e também para 
reduzir a temperatura do óleo ou do gás natural após estes terem sido submetidos a processo de 
compressão, condensação ou de aquecimento dentro de uma torre de destilação. 
 
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5. CONCLUSÃO 
O processo de remoção ou adição de calor a um sistema líquido ou gasoso é indispensável em 
qualquer processo industrial. Por se tratar de algo tão fundamental, os conhecimentos acerca do 
funcionamento dos trocadores de calor, principalmente ao que se refere ao seu projeto, são 
imprescindíveis para se promover quaisquer atividades operacionais oriundos de processos 
industriais. 
Para dimensionar, comissionar, fazer as manutenções dos componentes ou estrutura referentes aos 
trocadores de calor bitubulares é preciso seguir normas, como a TEMA, e precisam ser aplicadas 
de formas metodológicas de forma a se adequar ao projeto. 
Neste trabalho, foi possível ver as estruturas internas e externas do trocador bitubular, sua norma a 
ser seguida, a metodologia de cálculos e aplicações na indústria complementando assim a noção 
sobre o objeto estudado. 
 
6. REFERÊNCIA BIBLIOGRAFICA 
STANDARDS OF THE TUBULAR EXCHANGER MANUFACTURES ASSOCIATION. Tema. 
8th ed. NovaYork, 1999 
Kern, D. Q. Processos de Transmissão de Calor. Editora Guanabara dois S.A., 1980 
JUNIOR, CLAUIDO ANTUNES; MONTEGUTTI, MARILISE CRISTINE; HAUS, TIAGO 
LUIS. (TCC). Dimensionamento de um trocador de calor casco e tubo através do método de bell-
delaware para o aproveitamento da energia térmica da água quente de um forno a indução. 
KECHICHIAN, VIVIANE (Catálogo USP): Tese de Doutorado: Modelagem do processo térmico 
contínuo de fluidos alimentícios não-newtonianos em trocador de calor bitubular. 
https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-12122011-
150453/publico/Tese_Viviane_Kechichian.pdf 
PEGORARO, PAULA ROSSATO (Catálogo USP): Distribuição do tempo de residência e 
letalidade no processamento térmico contínuo de líquidos com escoamento laminar não ideal em 
trocadores bitubulares. https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-10052012-
122241/publico/Dissertacao_Paula_R_Pegoraro.pdf 
ADRIANO ERIQUE OLIVEIRA LIMA* FREDERICO RIBEIRO DO CARMO**. Criação De 
Uma Ferramenta Computacional Para Facilitar O Estudo De Trocadores De Calor Bitubulares. 
Págs. (19–23): http://conexoes.ifce.edu.br/index.php/conexoes/article/view/407/326