DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ENGENHARIA CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ENGENHARIA

CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

 

ALICE HOBOLD SOARES

LUANA ROBERTA RABELLO

LILLIAN TOPANOTTI

MAIRA VIEIRA

TAIRONY QUEIROZ VIENA

 TIAGO FARIAS MORAIS

VINÍCIUS BORDIM

 

TROCADORES DE CALOR

FRANCISCO BELTRÃO

2021

1. INTRODUÇÃO

Os trocadores de calor são equipamentos utilizados nos processos de troca de energia na forma de calor, entre dois fluidos que estão em diferentes temperaturas. Podem ser classificados com base na natureza da transferência de calor e em seu tipo de construção (SMITH, VAN NESS, et al., 2020).

Figura 1: Classificação de trocadores de calor

[pic 1]

Fonte: Smith, Van Ness, et al 2020

A transferência térmica nada mais é que a energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura, ou seja, quando existir um gradiente de temperatura em um meio ou entre meios, ocorrerá a transferência de calor.

Se dois corpos com temperaturas diferentes forem colocados em contato, ocorrerá uma troca de calor do corpo de maior temperatura para o de temperatura mais baixa, até que haja um equilíbrio entre eles. O equipamento utilizado para implementar essa troca é conhecido como trocador de calor (BERGMAN e LAVINE, 2007).

Diversos tipos de trocadores de calor foram desenvolvidos ao longo do curso da história, isso dá-se pela necessidade de equipamentos específicos e pela diminuição de custo associado a um processo. Seu projeto é baseado no objetivo básico de trocar calor entre fluidos e aproveitar a energia térmica presente nos fluidos quentes (BERGMAN e LAVINE, 2007).

Dentre os diversos projetos de trocadores de calor, os mais comuns encontrados em aplicações de processos químicos são os trocadores de calor de conformação tubular, e os trocadores de calor em casco, os em tubos e os em placas (PETRY e GONÇALVES, 2018).

Ainda segundo BERGMAN e LAVINE (2007), os trocadores de calor, quando operantes, estão sujeitos à deposição de material em suas superfícies, estes classificados como impurezas dos fluidos. Esse fenômeno pode aumentar significativamente a resistência à transferência de calor.

1. OBJETIVOS

• Entender o funcionamento e classificação dos Trocadores de Calor;
• Analisar as variáveis do processo para cálculos de dimensionamento do equipamento;
• Conhecer as equações necessárias para determinar as temperaturas de entrada e saída;
• Verificar os tipos de trocadores de calor, assim como as suas funcionalidades e aplicações práticas;

1. MATERIAIS E MÉTODOS

Utilizou-se uma metodologia dinâmica de apresentação dos trocadores de calor, através de simulações computacionais e visualização das aplicações através de vídeos, com o intuito de melhorar o entendimento e conhecimento na prática de como esses equipamentos funcionam, como ocorrem as trocas térmicas entre os fluidos, bem como para entender como propriedades físicas, como temperatura e vazão, são importantes para que ocorra o dimensionamento na prática do trocador de calor.

Ficou impedida a visualização prática nos laboratórios da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, por conta do impedimento imposto pelo governo decorrente ao combate da COVID-19.

1. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Trocadores de calor são equipamentos utilizados para realizar processos de transferência de calor, no qual um fluido de processo a uma certa temperatura cede ou recebe calor para atingir uma temperatura final de saída.

A ocorrência da troca térmica dentro deste equipamento é influenciada pelo efeito de alguns parâmetros, como por exemplo, o material utilizado no casco, a área de transferência de calor, espessura da parede, o coeficiente global de transferência, fator de incrustação e a resistência condutiva.

O coeficiente global de transferência de calor (U) é um parâmetro que indica a facilidade da transferência de calor inerente às resistências condutivas e convectivas. Neste sentido, corresponde a uma composição das transferências de calor individuais de convecção e condução. É apresentado através da equação 1:

[pic 2]

(1)

Nos trocadores de calor é comum a presença de aletas. São superfícies estendidas do material, que tem por finalidade aumentar a área para transferência de calor, isto é, aumentar a exposição entre a superfície aquecida e o fluido.

A eficiência de um trocador de calor é calculada pela razão entre a taxa de transferência real e a taxa máxima de transferência possível. Este método é chamado de NTU.

A taxa de transferência de calor pode ser calculada a partir de uma relação entre o coeficiente global de transferência de calor, a área da superfície e a diferença entre as temperaturas, conforme apresenta a equação (2):

[pic 3]

(2)

 

Em relação à variação de temperatura, os trocadores de calor que operam com fluidos em sentido paralelo apresentam uma diferença de temperatura entre os líquidos quente e frio menor, quando comparados à escoamento do tipo contracorrente. Essa diferença de temperatura pode ser estimada através do método da diferença de temperatura média logarítmica. Esse método reflete o verdadeiro decaimento exponencial da diferença local de temperatura (ÇENGEL e GHAJAR, 2012) e,  nesse caso, obtém-se a taxa de transferência de calor a partir da equação:

[pic 4]

(3)

onde,

[pic 5]

(4)

         Na equação acima, ∆T1 e ∆T2 representam as diferenças de temperatura entre os dois fluidos na entrada e saída, respectivamente, do trocador de calor.

Esse método é utilizado principalmente para determinar o tamanho de um trocador de calor, a fim de estipular as temperaturas de saída prescritas, quando as vazões mássicas e as temperaturas de entrada e saída dos fluidos quente e frio são especificadas.

Entretanto, quando somente as temperaturas de entrada dos fluidos são conhecidas, a aplicação do método é inviável, pois necessita de iterações sucessivas e, nesses casos para resolução do problema, o método da Efetividade-NUT é usado.