Os Trocadores de calor

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO………………...….……………………………………………………...03

2 MATERIAL E MÉTODOS………………………………………………………………..06

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO……………………………………………….………..08

4 CONCLUSÕES…………………………..………………………………….……….......11

REFERÊNCIAS……………………………...…………….……………………………….12

1 INTRODUÇÃO

        Os trocadores de calor são equipamentos utilizados para a troca térmica que apresentam dois fluidos diferentes trocando calor através de uma superfície metálica. Segundo Nunes e Nascimento (2010), “para que ocorra transferência de calor entre dois corpos é necessário que ambos possuam diferentes temperaturas, pois dessa forma, o calor irá fluir sempre do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura”.

O trocador mais utilizado na indústria é o trocador de calor de casco e tubos, que se resume em um casco cilíndrico com vários tubos no interior, sendo que um dos fluidos escoa pelo casco e outro pelo tubo e, deste modo, a troca térmica ocorre através das paredes dos tubos (SOUZA, 2013). Ele é definido como um trocador de calor de contato indireto pois há uma superfície sólida impedindo o contato direto entre eles, e deste modo as duas correntes não se misturam ou não há contato direto entre elas.

Normalmente, os trocadores de calor são classificados em função da configuração do escoamento e do tipo de construção. Quanto a configuração do escoamento, podem ser classificados como (INCROPERA, 2008):

• Escoamento paralelo: os fluidos quente e frio entram pela mesma extremidade, escoando no mesmo sentido e deixam o trocador pela mesma extremidade.
• Escoamento contracorrente: os fluidos entram por extremidades opostas, escoam em sentidos contrários e deixam o trocador por extremidades opostas.

        Essa configuração pode ser observada na Figura 1.

Figura 1 - Configurações de escoamento paralelo (A) e contracorrente (B).

[pic 1]

Fonte: Incropera (2008).

• Escoamento cruzado: um fluido ou sólido escoa perpendicular ao outro. São diferenciados por fluido misturado que é aquele que não possui aletas, permitindo assim o escoamento em duas direções e o não misturado aquele que possui aletas paralelas permitindo assim o escoamento em um único sentido.

O escoamento em paralelo apresenta baixa eficiência comparado ao sistema de escoamento em contracorrente, pois existe uma grande troca de calor no início da tubulação onde os fluidos possuem grande diferença de temperatura, porém a troca só ocorrerá até atingir o equilíbrio, sendo assim, os fluidos tendem a sair com a mesma temperatura, ou muito próximas, ao contrário do que acontece nos sistemas que operam em contracorrente. O sistema em contracorrente opera com fluidos entrando no sistema em lados opostos, demonstrando grande eficiência durante de troca térmica, pois o calor do fluido quente é dissipado ao longo dos tubos durante todo o percurso, representando uma grande perda de calor até o final do sistema e nesse momento o fluido quente entra em contato com o fluido frio que escoa do lado de fora do tubo representando uma troca de calor maior ainda tornando-se um sistema muito eficiente (YUNUS; AFSHIN, 2012).

        A troca térmica ocorre nesses trocadores por meio de convecção, definido por Yunus e Afshin (2012) como a transferência de energia entre uma superfície sólida e outra líquida ou gasosa, em que o líquido ou gás está em movimento, combinando os efeitos de condução e movimento de um fluido.

Geralmente um dos fluidos é a água, deste modo, para evitar problemas de corrosão no sistema, a água é utilizada escoando pelos tubos, uma vez que se escoar pelo casco, ambos os lados do equipamento estão sujeitos à corrosão. Além disso, a água apresenta maior tendência à incrustação, sendo mais um fator positivo para a utilização dela nos tubos, pois o interior do tubo é mais fácil de limpar que o exterior (YUNUS; AFSHIN, 2012).

Os trocadores de calor têm diversas aplicações na engenharia, sendo amplamente utilizados no aquecimento e resfriamento de ambientes, evaporação e condicionamento de fluidos como ar, na recuperação de calor e processos químicos, na produção de energia, tendo aplicação forte nas indústrias química, farmacêutica e óleo e gás (SOUZA, 2013).

Neste trabalho será realizada a determinação de troca e calor um trocador de calor casco e tubo em contracorrente.

2 METODOLOGIA

Para determinar a eficiência dos trocadores de calor casco e tubo em contracorrente, consideramos que o trocador de calor está em condições ideais, sendo que deste modo a troca de energia se dá somente entre o fluido quente e o frio, ou seja, a transferência de calor entre o trocador de calor e a vizinhança torna-se desprezível, igual às energias potenciais e cinéticas. Assim, pode-se aplicar as equações de energia para processos contínuos, Equação 1 e Equação 2, além da Equação 3 que apresenta a conservação de energia para o trocador ideal.

[pic 2]
[pic 3][pic 4]

Onde: q = a taxa total de transferência de calor (J/s = W); Tc,in = temperatura de entrada do fluido frio (K); Tc,out = temperatura de saída do fluido frio (K); Th,out = temperatura de saída do fluido quente (K); Th,in = temperatura de entrada do fluido quente (K); cpc = calor específico do fluido frio (J/kg K); m f = descarga (ou vazão mássica) fluido frio (kg/s); cph = calor específico do fluido quente (J/kg K); m ℎ = descarga (ou vazão mássica) fluido quente (kg/s); Os valores de cpc e cph foram estimados com auxílio de uma calculadora virtual específica para esses cálculos, onde se introduziu os valores de pressão e temperatura média do fluido no sistema.

        Para o procedimento experimental utilizou-se a bancada de transferência de calor do laboratório da Univates. O sistema do trocador nos permite a obtenção dos valores de temperatura para cada ponto (entrada da água quente, entrada da água fria, saída da água quente e saída da água fria) em um visor. Ligou-se o equipamento e ajustou-se o set point do controlador de temperatura em 50 ºC. Foi-se alterando a vazão de entrada do fluido frio, de 2 L/min até 8 L/min, de dois em dois litros por minuto, o que gerou quatro situações. Para todas elas, a vazão de entrada do fluido quente era de 6 L/min. Assim, foram feitas medições com as válvulas V2 e V3 abertas e as válvulas V1 e V4 fechadas, fazendo com que o experimento fosse feito em contra-corrente.