Trocador De Calor

1. OBJETIVO DO EXPERIMENTO

Medir experimentalmente o coeficiente global de transferência de calor e comparar com o coeficiente global obtido a partir das relações empíricas; verificar se o trocador de calor atende a 1ª Lei da Termodinâmica e 2ª Lei da termodinâmica; comparar a operação do trocador de calor em correntes opostas e correntes paralelas.

2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.1. Coeficiente Global de Transferência de Calor

O coeficiente global de transferência de calor é o parâmetro mais importante na análise de um trocador de calor. Com ele pode-se qualificar o equipamento em teste frente aos demais disponíveis no mercado. O coeficiente global do trocador é uma variável que depende do tempo de vida do equipamento e de sua atual condição operacional. Isto porque o a operação normal pode provocar a alteração das superfícies de troca de calor tanto do fluido frio quanto do fluido quente. Estas alterações são normalmente devidas às incrustações que ocorrem na superfície dos tubos ou chapas, tanto no contato do fluido quente quanto no do fluido frio, atuando como uma resistência térmica adicional no processo de troca. A expressão para o cálculo do coeficiente global de transferência de calor, U, é, (caso de um tubo cilíndrico),

onde A é a área de troca de calor, D é o diâmetro do tubo, L é o seu comprimento, k é o coeficiente de transferência de calor por condução no tubo e h é o coeficiente de troca de calor dos fluidos frio e quente. Os índices f e q se referem ao fluido frio e quente, respectivamente. Esta expressão é válida para tubos circulares, onde a transferência de calor é radial. O índice , que aparece em R e A refere-se à resistência e à área de troca associadas à incrustação que pode estar presente nos trocadores.

2.2. Conceito de diâmetro hidráulico (dh) e raio hidráulico (rh)

Os conceitos de diâmetro hidráulico e raio hidráulico além de generalizar as informações obtidas por Reynolds são fundamentais para a determinação de vazão em canais como mostraremos mais adiante. Para generalizar o número de Reynolds estabelecido inicialmente para um conduto forçado de seção transversal circular, introduz-se o conceito de diâmetro hidráulico (DH), que para o conduto nas condições descritas anteriormente é igual ao diâmetro interno, mas que pode ser definido, tanto para o conduto forçado, como para o conduto livre e para qualquer tipo de seção transversal.

Imbuído deste objetivo, definiu-se o diâmetro hidráulico da seguinte forma:

onde se considera como perímetro molhado o perímetro formado pelo contato de fluido com superfície sólida.

2.3. Diferença de Temperatura Média

O problema do dimensionamento térmico de um permutador envolve a determinação da área da superfície de transferência (A) que torne possível a troca de calor ( ) para uma diferença de temperatura média (Tm), de acordo com a equação:

onde K é o coeficiente global de transferência de calor. Para fluxo paralelo ou contra-corrente:

Para fluxos cruzados ou passagens múltiplas:

Em que o factor de correcção Fc (1) se obtém a partir de ábacos, em função das temperaturas extremas e caudais. Na figura D.1 do anexo D, apresentam-se os factores de correcção para os casos mais comuns.

2.4. Trocadores de Calor

Definição: A operação de troca térmica é efetuada em equipamentos denominados genericamente de trocadores de calor. Esta operação é bastante geral e vamos nos restringir à troca térmica entre dois fluidos, excluindo, portanto, troca térmica com fogo direto.

Assim sendo podemos resumir dizendo:

Trocador de calor é o dispositivo que efetua a transferência de calor de um fluido para outro.

A transferência de calor pode se efetuar de quatro maneiras principais:

- pela mistura dos fluidos;

- pelo contato entre os fluidos;

- com armazenagem intermediária; e

- através de um parede que separa os fluidos quente e frio.

2.4.1. Troca de calor pela mistura dos fluidos

Um fluido frio em um fluido quente se mistura num recipiente, atingindo uma temperatura final comum.

- Troca de calor sensível;

- Desuperaquecedores de caldeira ("desuperheater");

- Condensadores de contato direto ("direct contact condenser");

- Aquecedores da água de alimentação em ciclos de potência regenerativos;

2.4.2. Troca Témica por Contato entre os Fluidos

- Resfriamento da água - torres de resfriamento ("cooling tower"). O ar é aquecido e umidificado em contato com um "spray"de água fria.

- Resfriamento e desumidificação da ar - ("spray dehumidifier"). Ar quente e úmido é resfriado e desumidificado em contato com "spray"de água fria.

- Resfriamento e umidificação da ar - ("Air washer"). Ar seco e quente, como o existente em climas desérticos, é resfriado e umidificado.

2.4.3. Troca térmica com armazenagem intermediária

- A troca térmica com armazenagem intermediária se dá nos regenerado: neles o calor é alternativamente fornecido e retirado das