Os Trocadores de Calor

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Londrina

2022

1. O QUE SÃO TROCADORES DE CALOR.

Os trocadores de calor são equipamentos desenvolvidos para realizar a transferência de calor (resfriar ou aquecer) entre meios que se encontrem em temperaturas diferentes entre si, porém sem que exista o contato direto entre os dois. Geralmente se dão por uma parede sólida ou um fluido que pode ser um líquido ou um gás.

Estes equipamentos são termodinâmicos, o que torna possível estabelecer as substancias à uma temperatura ideal para uso nos processos, isso se transcreve em eficiência nos processos.

Eles podem ser classificados de diversas maneiras, como por exemplo: Modelo, Quantidade de fluidos e tipo de construção. Os trocadores de calor mais comuns no dia-a-dia são:

• Aquecedores;
• Refrigeradores;
• Ar condicionado;
• Radiadores.

1. COMO FUNCIONAM?

Existem diversas aplicações e tipos de trocadores de calor, nota-se que eles não são usados apenas no resfriamento, como também para aquecimento e reaproveitamento energético.

No cotidiano comum, podemos usar o Ar Condicionado como um exemplo para demonstrar o funcionamento de um trocador de calor. Ele possui um sistema se serpentinas que contém um gás refrigerante, esta serpentina tem a responsabilidade de separar fisicamente o ar do ambiente e o fluido mais frio na serpentina e por isso, o resultado é o ar frio saindo do Ar Condicionado. Este resultado se deu pelo fato de o ar quente do ambiente perder calor para o fluido refrigerante dentro do aparelho.

Existem também as bombas de calor, que realizam a troca de calor entre duas substancias em temperaturas diferentes. Podem ser usados em várias áreas também, como o aquecimento de piscinas e ou processos industriais.

As bombas de calor têm seu funcionamento parecido com as geladeiras domesticas, que possuem um ambiente interno refrigerado através de um gás que troca calor com o ambiente externo.

Este calor remanescente pode ser “sentido” do lado posterior da geladeira, e no caso do aquecedor das piscinas eles funcionam de modo contrário, as bombas aproveitam esse calor para aquecer a água, jogando o ar frio pra fora.

Na indústria, ao longo do processo produtivo, sempre uma parcela da energia utilizada é desperdiçada, energia essa que se dá por calor, na maioria das vezes, o que resulta em gastos excessivos. Devido a este fato, os trocadores de calor têm um papel essencial, aproveitando este calor desperdiçado.

1. TIPOS DE TROCADOR.

Apesar de todos os trocadores de calor apresentarem o mesmo princípio e finalidade, existem inúmeros tipos diferentes e com mecanismos e métodos de funcionamento diferentes para realizar a troca de calor.

3.1 TROCADOR CASCO E TUBOS.

O trocador de casco e tubos é o mais utilizado em diversas condições de operação pois é muito versátil, porém onde mais é encontrado é em processos de alta pressão devido a robustez de sua construção. É composto por dois itens principais, o casco e uma serie de tubos em seu interior.

Os tubos levam em seu interior o fluido a ser resfriado ou aquecido e do lado de fora destes tubos percorrem o lado externo desses tubos, fornecendo o calor necessário para resfriar ou aquecer o fluido de interesse.

3.2 TROCADOR DE PLACAS.

        

O trocador de placas consiste em uma série de pratos, com superfícies de grande área, dispostos paralelamente um sobre o outro. para permitir que entre as placas se formem canais de fluido; um para o fluido quente e outro para o fluido frio, estes fluidos trabalham em sentido contracorrente. Este modelo de trocador de calor, na maioria das vezes tende a ser mais eficiente, em um determinado espaço, que o trocador de casco e tubos.

Para este tipo de trocador, existem variados tipos de placas, como; placas brasadas por imerção e as carimbadas com Chevron, podendo conter aletas e ranhuras.

3.3 TROCADOR TUBULAR.

O trocador de calor tubular é muito versátil e aplicável a diversos ambientes como; estações de petróleo, sistemas de Ar Condicionado, nas indústrias, na área naval e também para recuperação de calor e processos químicos.

Este aparelho pode ser encontrado sendo composto por um tubo duplo para menor transferência de fluidos, por tubos multitubulares para ser utilizado em situações a troca de grandes quantidades de calor e também por tubos em forma de serpentina, composto por espirais, as dobras das curvas da tubulação permite, além de economizar espaço, ajudam em uma troca de calor mais eficiente.

1. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR.

O coeficiente global de transferência de calor ou valor U refere-se a quão bem o calor é conduzido através de uma série de meios resistentes. Suas unidades são: W/(m²°C) [Btu/(hr-ft²°F)].

O coeficiente geral de transferência de calor é influenciado pela espessura e condutividade térmica dos meios através dos quais o calor é transferido. O calor é transferido de maneira mais fácil para o item de interesse de acordo com o quão alto é o valor do coeficiente. Em um trocador de calor, a relação entre o coeficiente de transferência de calor geral (U) pode ser descrita pela equação abaixo:

Q=UAΔTLM

Onde:

• Q = taxa de transferência de calor, W = J/s [btu/hr];
• A = área da superfície de transferência de calor, m2 [ft2];
• U = coeficiente global de transferência de calor, W/(m2°C) [Btu/(hr-ft2°F)];
• ΔTLM = média logarítmica da diferença de temperatura, °C [°F].

A partir dessa equação, pode-se analisar que o valor U é diretamente proporcional a Q, a taxa de transferência de calor. Supondo que a superfície de transferência de calor e a diferença de temperatura permaneçam sem alterações, quanto maior o valor de U, maior a taxa de transferência de calor. Isso quer dizer que para um determinado trocador de calor e produto, um valor de U mais alto pode levar a tempos de lote mais curtos e aumento da produção e rendimento.

1. CALCULO DO VALOR DE U.

A equação mais utilizada para encontrar o valor de U é: