O Trocador de Calor

1. Trocadores de calor

Nos trocadores de calor, há dois tipos de transferência de calor, a condução e convecção, devido a este fato, é conveniente, nos cálculos, trabalhar com o coeficiente global de troca térmica, que é uma variável que representa a contribuição desses fatores de troca térmica sobre a transferência de calor (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).

O fluido quente transfere calor para a parede do trocador por convecção, este calor é conduzido através da parede, e então, a partir da parede para o fluido frio através da convecção. A transferência de calor por radiação não é levada em consideração, pois seus efeitos são calculados junto ao coeficiente convectivo (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).

Kreith e Bohn (2013) classificam os trocadores de calor em três tipos: recuperadores, regeneradores e por contato direto. Os recuperadores operam com o fluido quente e frio separados por uma parede e a transferência de calor ocorre por condução e convecção, os regeneradores tem um sistema onde os fluidos ocupam o mesmo espaço e os trocadores por contato direto, onde o fluido quente entra em contato com um fluxo de ar ascendente.

Basicamente, os trocadores de calor se classificam tipicamente quanto à configuração do escoamento e o tipo de construção (INCROPERA et al., 2013).As aplicações características e configurações dos trocadores de calor fazem com que haja uma ampla variedade no mercado, sendo os mais utilizados na indústria os do tipo casco e tubo, trocadores de placas e os do tipo duplo tubo (KAKAÇ; LIU, 2002).

1. Casco e tubo

Os trocadores de calor casco e tubo são constituídos por um tubo de diâmetro grande, chamado de casco e uma série de tubos diâmetros menores acondicionados neste casco. Os pequenos tubos ficam com suas extremidades abertas em uma caixa de distribuição, onde o fluido é acumulado antes de entrar e sair dos tubos (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).

Em sua versão mais simples, o dispositivo tipo casco e tubo operam com passe único no casco e nos tubos, e, para que o coeficiente convectivo no fluido do lado do casco aumente, é necessária maior turbulência e de um componente com maior velocidade na direção do escoamento, sendo as chicanas responsáveis por tal operação (INCROPERA, et al., 2013).

A Figura 4 esquematiza um trocador de calor desta configuração.

[pic 1]

Figura 4: Esquema de um trocador de calor casco e tubo (um passe no casco e um passe nos tubos). Fonte: ÇENGEL; GHAJAR, 2012.

Este dispositivo de troca térmica é comum em instalações industriais de grandes potência (MORAN et al., 2014), porém, devido seu tamanho e peso relativamente grande eles não são adequados para algumas aplicações como em indústrias automotivas e aeronáuticas (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).

1. Trocador de calor a placas

O trocador de calor a placas vem tomando cada vez mais lugar no mercado devido seu sistema inovador e grande escala de uso, ele consiste em uma série de placas, normalmente corrugadas, com passagem para o escoamento, o fluido quente e frio ocupam espaços alternados dentro do trocador de calor, resultando assim uma eficiente troca térmica (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).

Devido à elevada área superficial por unidade de volume, o trocador de calor de calor a placas possui uma maior eficiência térmica ocupando menos espaço, consequência do menor volume e peso do equipamento. Outro fator que beneficia este equipamento é a facilidade de manutenção e limpeza que ele possui (BERTO, 2000).

Segundo Çengel e Ghajar (2012) outra vantagem que o trocador de calor a placas traz é que ele pode crescer de forma simples, anexando mais placas, de acordo com o aumento da demanda de transferência de calor.

A Figura 5 ilustra um trocador de calor a placas e seus componentes.

[pic 2]

Figura 5: Trocador de calor de placa e quadro para líquido-líquido. Fonte: ÇENGEL; GHAJAR, 2012

1. Duplo tubo ou tubos concêntricos

O trocador de calor duplo tubo tem configuração bastante simples,consistindo em dois tubos concêntricos de diâmetros diferentes, acoplados um ao outro. Um dos fluidos escoa no interior do tubo e o outro na região anular entre os dois (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).

O escoamento pode ser paralelo ou em contracorrente. A possibilidade de escoamento com corrente opostas nos trocadores de calor duplo tubo contribui positivamente na sua atuação, uma vez que este tipo de escoamento proporciona uma menor variação na diferença de temperatura dos fluidos ao longo do processo (SAUNSDERS, 1988).

A Figura 6 ilustra um trocador de calor duplo tubo com dois variados tipos de escoamento. Barlet (1996) atribui como ponto positivo à maior velocidade de escoamento devido ao escoamento turbulento, que é resultado da passagem do fluido por um único tubo. Os trocadores de calor duplo tubo são uma boa alternativa para processos que operam com baixas vazões e grandes diferenças de temperatura nos fluidos (SAUNDERS, 1988).

1.                                                                  (b)

[pic 3]

Figura 6: Trocadores de calor de tubos concêntricos. (a) Escoamento paralelo. (b) Escoamento contracorrente. Fonte: INCROPERA, et al., 2013.

1.  Tipo de escoamento em trocadores de calor

O tipo de escoamento nos trocadores de calor varia de acordo com a necessidade de troca térmica requerida. Os tipos mais comuns de escoamentos encontrados nas indústrias são paralelo e contracorrente.

1. Trocador de calor com escoamento em paralelo

Na configuração em paralelo, ambos fluidos escoam paralelamente, ou seja, entram pelo mesmo lado do trocador de calor e saem pela outra extremidade do equipamento (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).

Como pode ser visto na Figura 7, a diferença de temperatura entre os fluidos no inicio do processo é muito grande, mas decresce rapidamente no decorrer do processo, se aproximando a zero (MORAN et al., 2014). Incropera et al.(2013) e Moran et al.(2014) ressaltam que nesse tipo de escoamento a temperatura do fluido frio nunca ultrapassa a temperatura do fluido quente.