Captulo 11 Trocadores de Calor 1 Tipos de

Capítulo 11: Trocadores de Calor 1

Tipos de Trocadores de Calor • Tipicamente os trocadores de calor são classificados em função da configuração do escoamento e do tipo de construção. • No trocador mais simples, os fluidos quente e frio se movem no mesmo sentido ou em sentidos opostos em uma construção com tubos concêntricos (ou bitubular). 2

Tipos de Trocadores de Calor • Alternativamente, os fluidos podem se mover em escoamento cruzado (um fluido escoa perpendicularmente ao outro. • Nesse caso, há uma idealização que trata o escoamento do fluido sobre os tubos como misturado ou não-misturado. No caso de trocadores aletados, tem-se o fluido nãomisturado, pois as aletas impedem o movimento do fluido em na direção y. 3

Tipos de Trocadores de Calor Quanto ao arranjo do escoamento Correntes paralelas (concorrente) Aletados Correntes contrárias (contracorrente) Correntes cruzadas Não aletados 4

Tipos de Trocadores de Calor • Outra configuração comum é trocador casco e tubos. Formas específicas desse tipo de trocador diferem de acordo com os números de passes no casco e nos tubos. • Sua forma mais simples envolve um único passe nos tubos e no casco. • Normalmente são instaladas chicanas par aumentar o coeficiente convectivo no fluido no lado do casco, induzindo turbulência. 5

Tipos de Trocadores de Calor Casco-tubo Quanto ao tipo de construção Passo único Passes múltiplos Tubos aletados Tubos planos Tubos circulares Placas corrugadas Placas aletadas 6

Tipos de Trocadores de Calor • Trocador casco-tubos Fonte: Extran Heat Transfer Solutions Disponível em: http: //www. extranheattransfer. com. au/industries/mining/ Acesso em 30/17/15, às 18: 24 7

Tipos de Trocadores de Calor • Trocador casco-tubos 8

Tipos de Trocadores de Calor • Uma classe especial e importante de trocadores de calor é utilizada para atingir superfícies de transferência de calor muito grandes por unidade de volume: são os trocadores compactos. • Esses equipamentos possuem densas matrizes de tubos aletados ou placas e são tipicamente usados quando pelo menos um dos fluidos é um gás (pequeno coeficiente convectivo). 9

Tipos de Trocadores de Calor • Trocador compacto de tubos aletados 10

Coeficiente global de transferência de calor • Constitui-se em uma etapa essencial e frequentemente a mais imprecisa de qualquer análise de trocadores de calor. • O coeficiente global de transferência de calor é definido em função da resistência térmica total à transferência de calor entre dois fluidos. • Além das resistências condutiva e convectiva entre os fluidos, outras resistências térmicas podem estar presentes em trocadores de calor. 11

Coeficiente global de transferência de calor • Ao longo da operação normal de trocadores, com frequência as superfícies estão sujeitas à deposição de impurezas dos fluidos, formação de ferrugem ou a outras reações entre o fluido e o material que compõe a parede. • Esses efeitos criam uma resistência térmica adicional, conhecida por fator de deposição, Rd, que depende das condições de operação do equipamento. 12

Coeficiente global de transferência de calor • Fatores de deposição representativos 13

Coeficiente global de transferência de calor • Frequentemente também são adicionadas aletas às superfícies expostas a um ou ambos os fluidos, aumentando a área superficial de troca térmica. • Equação geral: 14

Coeficiente global de transferência de calor – Os índices f e q indicam os fluidos frio e quente, respectivamente. – O cálculo do produto UA não exige a especificação do lado quente ou frio. Entretanto, o cálculo do coeficiente global depende se a superfície utilizada é a do lado quente ou frio, uma vez que as áreas em geral são diferentes. – A resistência condutiva na parede, Rp, é obtida dependendo da geometria do trocador (parede plana ou parede cilíndrica). 15

Coeficiente global de transferência de calor – Resistência parede plana: – Resistência parede cilíndrica: – A eficiência global da superfície aletada, η 0, pode ser avaliada a partir da eficiência de uma única aleta, ηa, através da relação: 16

Coeficiente global de transferência de calor – A razão Aa/A representa a razão entre a área superficial de todas as aletas e a área total. – A eficiência de uma única aleta de seção transversal constante (aleta plana ou aleta piniforme cilíndrica), com extremidade adiábática e comprimento L pode ser avaliada por – Sendo P o perímetro e Atr e a área da seção transversal da aleta. 17

Coeficiente global de transferência de calor • No caso de trocadores de calor tubulares nãoaletados, tem-se que – Sendo as áreas interna e externa dadas por 18

Coeficiente global de transferência de calor • Valores representativos do coeficiente global de transferência de calor 19

Uso da média logarítmica das diferenças de temperatura • Se q é a taxa total de transferência de calor entre os fluidos quente e frio, e a transferência de calor entre o trocador e a vizinhança é desprezível, assim como as mudanças nas energias potencial e cinética do sistema, tem-se da conservação da energia para regime permanente: 20

Uso da média logarítmica das diferenças de temperatura – Os índices f e q se referem aos fluidos frio e quente respectivamente. – Os índices ent e sai estão relacionados à entrada e à saída do fluido. – A variável i representa a entalpia do fluido. • Se os fluidos não passam por mudança de fase e se puder ser admitido que os calores específicos sejam constantes, as expressões anteriores podem ser reduzidas. 21

Uso da média logarítmica das diferenças de temperatura • Taxas de transferência de calor: • Balanço de energia: 22

Uso da média logarítmica das diferenças de temperatura • Uma outra expressão útil pode ser obtida relacionando-se a taxa de transferência de calor total à diferença de temperaturas entre os fluidos quente e frio: – Sendo ΔTml uma média apropriada de diferenças de temperaturas (uma vez que ΔT varia com a posição no trocador de calor). 23

Uso da média logarítmica das diferenças de temperatura • Trocador de calor com escoamento paralelo 24

Uso da média logarítmica das diferenças de temperatura – Considerações: • O trocador de calor encontra-se isolado termicamente da vizinhança, situação na qual a única troca de calor ocorre entre os fluidos quente e frio. • A condução axial ao longo dos tubos é desprezível. • Mudanças nas energias cinética e potencial são desprezíveis. • Os calores específicos dos fluidos são constantes. • O coeficiente global de transferência de calor é constante. 25

Uso da média logarítmica das diferenças de temperatura – Aplicando-se um balanço de energia a dois elementos diferenciais, tem-se • Sendo Cq e Cf as taxas de capacidade calorífica dos fluidos quente e frio, respectivamente. – A transferência de calor através da área d. A pode também ser avaliada como 26

Uso da média logarítmica das diferenças de temperatura – Combinando-se as expressões anteriores e realizando as integrações apropriadas, obtém-se – Sendo: – Para escoamento paralelo: 27

Uso da média logarítmica das diferenças de temperatura • Trocador de contracorrente calor com escoamento 28

Uso da média logarítmica das diferenças de temperatura – Neste caso, as diferenças de temperaturas nas extremidades do trocador serão avaliadas por • Trocadores de calor com múltiplos passes e com escoamento cruzado – Para esses tipos de trocadores, é feita uma modificação na ΔTml. 29

Uso da média logarítmica das diferenças de temperatura – Tem-se nesse caso: – Ou seja, é aplicado um fator de correção F sobre ΔTml avaliada para trocadores de calor com escoamento em contracorrente. 30

Uso da média logarítmica das diferenças de temperatura – Trocador de calor tipo casco-tubos com um passe no casco e múltiplos pares de passes nos tubos. 31

Uso da média logarítmica das diferenças de temperatura – Trocador de calor tipo casco-tubos com dois passes no casco e múltiplos de quatro passes nos tubos. 32

Uso da média logarítmica das diferenças de temperatura – Trocador de escoamento cruzado, de passe único, com ambos os fluidos não-misturados 33

Uso da média logarítmica das diferenças de temperatura – Trocador de escoamento cruzado, de passe único, com um fluido misturado e o outro não-misturado 34

Método da efetividade - NUT • Taxa de transferência de calor máxima possível em um trocador de calor: qmax – Essa taxa poderia ser alcançada, em princípio, em um trocador de calor em contracorrente comprimento infinito. – Nesse caso, um dos fluidos apresentaria a máxima diferença possível de temperaturas, Tq, ent ‒ Tf, ent. – Caso o fluido frio apresentasse tal diferença, ter-seia: 35

Método da efetividade - NUT – Se, ao contrário, fosse o fluido quente que apresentasse tal diferença, então – Generalizando, tem-se • Sendo Cmin igual ao menor valor entre Cf e Cq. 36

Método da efetividade - NUT • Define-se, então, a efetividade ε como a razão entre a taxa real de transferência de calor de um trocador e a taxa máxima possível: • Tem-se dessa forma: 37

Método da efetividade - NUT • Para qualquer trocador de calor, pode-se mostrar que • O número de unidades de transferência (NUT) é um parâmetro adimensional amplamente utilizado na análise de trocadores de calor. 38

Método da efetividade - NUT • Define-se NUT como • Define-se Cr (razão entre as capacidades caloríficas) como 39

Método da efetividade - NUT 40

Método da efetividade - NUT 41

Método da efetividade - NUT 42

Método da efetividade - NUT 43

Método da efetividade - NUT 44

Método da efetividade - NUT 45