Trocadores de Calor: Definição e Tipos

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Trocadores de calor 
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Trocadores de calor 
 
1 Definição 
 
Aparatos que facilitam as trocas de calor entre dois fluidos que se encontram em 
temperaturas diferentes e evitam que eles se misturem. 
Utilização: 
- sistemas de aquecimento e ar condicionado doméstico; 
- produção de potência em grandes usinas. 
 
Pode compreender: 
- convecção em cada fluido; 
- condução através da parede que os separa; 
⇒ Coeficiente Global de Transferência de Calor – U 
que representa a contribuição de todos estes efeitos sobre a transferência de calor no 
trocador. 
 
2 Tipos 
 
a) Tubo duplo: - trocador de calor mais simples; 
 - tubos concêntricos de diâmetros diferentes; 
 - podem apresentar fluxo paralelo ou oposto. 
 
Figura 1 – Trocador de tubo duplo 
 
Na figura 2 são apresentados os gráficos do comportamento da variação de temperatura 
dos fluidos nos dois casos: 
- no fluxo paralelo observa-se que o fluido quente nunca atingirá a temperatura do 
fluido frio; 
- no fluxo oposto, como há um gradiente favorável, o fluido frio pode atingir a 
temperatura do fluido quente 
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Figura 2 – Comportamento dos fluidos no trocador de tubo duplo 
 
b) Compactos 
Acontecem altas taxas de transferência de calor em pequenos volumes de trocador. 
A grande superfície dos trocadores de calor compactos é obtida pela utilização de chapas 
finas ou aletas onduladas estreitamente espaçadas nas paredes que separam os fluidos. 
São usados em trocadores (gás-gás) e (gás-líquido). 
Se: 
� � 700�²/�	
�	200��²/��	 ⟹ �
�����
 
� � ������������	�� � � ��	�����������	��	��
��	��	���
�
�
���� 										 1" 
 
Figura 3 – Trocadores compactos 
 
c) Escoamento cruzado: 
- fluidos circulam perpendicularmente uns aos outros; 
- são chamados “sem mistura” quando existem chicanas que forçam o escoamento 
do fluido entre seus espaços e evitam que ele se mova na direção transversal; 
- são chamados “com mistura” quando o fluido está livre para avançar em todas as 
direções. 
Atenção: NUNCA há mistura dos fluidos! 
Nos trocadores de escoamento cruzado sem mistura, o fluido pode se apresentar em 
temperaturas diferentes ao longo das chicanas. 
 
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Figura 4 – Trocadores de escoamento cruzado 
 
c) Casco e tubo: - ou carcaça e tubos; 
 - grande número de tubos acondicionados num casco por 
onde circula o outro fluido. 
 
Figura 5 – Trocador de casco e tubo 
 
As chicanas são utilizadas para forçar o escoamento do fluido no casco, aumentar a 
transferência de calor e manter a uniformidade do espaço entre os tubos. 
 
São classificados quanto ao número de passes envolvidos no casco e no tubo: 
- um passe no casco e dois passes nos tubos; 
- dois passes nos cascos e quatro passes nos tubos. 
 
Figura 6 – Passes envolvidos 
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d) Placa e quadro: 
- inovador; 
- placas corrugadas com passagens para o escoamento; 
- os fluidos quentes e frios escoam em passagens alternadas, assim, cada 
escoamento de um fluido é cercado por dois escoamentos do outro fluido; 
- apresentam grande flexibilidade pela simples adição das placas aos sistemas; 
- são de fácil limpeza e alto rendimento térmico, apesar de apresentarem altas perdas de 
carga; 
- só podem ser usados em sistemas de baixa pressão (p<1,5MPa). 
 
Figura 7 – Trocador de placa e quadro 
 
Figura 8 – Corrugações mais comuns das placas de passagem de fluido 
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Figura 9 – Exemplos de arranjos de passes para um trocador com 9 placas 
 
e) Regenerativo: 
- estático: formado por um meio poroso, chamado matriz, que tem grande 
capacidade de armazenamento de calor, por onde os fluidos frio e quente escoam. A troca 
é feita do fluido quente para a matriz , quando escoa o fluido quente, e da matriz para o 
fluido frio, quando escoa o fluido frio. 
- dinâmico: envolve um tambor rotativo e o escoamento contínuo dos fluidos quente 
e frio através de diferentes partes do tambor que ora absorve calor, ora cede calor. 
 
f) Evaporador: trocador de calor no qual um dos fluidos é resfriado e condensa ao 
escoar através do trocador de calor. 
 
g) Evaporador ou Caldeira: trocador de calor no qual um dos fluidos absorve o calor 
e vaporiza. 
 
h) Radiador de ambiente: trocador de calor que transfere o calor do fluido quente 
para o espaço circundante por radiação. 
 
3 Coeficiente Global de Transferência de Calor - U 
 
Um trocador de calor normalmente envolve dois fluidos escoando separados por uma 
parede sólida, portanto, o calor é transferido do fluido quente para a parede por 
convecção, através da parede por condução e da parede para o fluido frio novamente por 
convecção. 
A rede de resistência térmica associada a este processo envolve três resistências, sendo 
uma de condução e duas de convecção. 
#$%&'(' � ln	 �'+,'&-. �/-,'&-.0 "
1223 										 2" 
#4.-5'4,/5. � 1
67										 3" 
#9:9;< � #4.-5'4,/5.	/-,'&-. = #$%&'(' = #4.-5'4,/5.	'+,'&-. � 1
>7										 4" 
 
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Figura 10 – Rede de resistência térmica 
 
Tenha o cuidado de considerar as áreas interna e externa de modo correto em cada 
termo da equação de RTOTAL. 
Como o tratamento para o cálculo da taxa de transferência de calor se dá pela equação 
geral: 
@A � ∆C
#9:9;<
� ∆C
1 >70 � >7∆C										 5" 
 
Quando a espessura parede do tubo é muito pequena e a condutividade térmica do 
material é elevada, a resistência térmica condutiva pode ser desprezada. 
A tabela 1 apresenta valores de U para vários trocadores de calor. 
 
Tabela 1 – Coeficientes Globais de troca de calor 
Tipo de trocador de calor U(W/m²°C) 
Água-água 850 – 1700 
Água-óleo 100 – 350 
Água-gasolina ou querosene 300 – 1000 
Aquecedores de água de alimentação 1000 – 8500 
Vapor-óleo combustível leve 200 – 400 
Vapor-óleo combustível pesado 50 – 200 
Condensador de vapor 1000 – 6000 
Condensador de freon (resfriado a água) 300 – 1000 
Condensador de amônia (resfriado a água) 800 – 1400 
Condensador de álcool (resfriado a água) 250 – 700 
Gás-gás 10 – 40 
Água em tubos aletados -ar (superfície do lado ar) 30 – 60 
Água em tubos aletados -ar (superfície do lado água) 400 – 850 
Vapor em tubos aletados -ar (superfície do lado ar) 30 – 300 
Vapor em tubos aletados -ar (superfície do lado água) 400 - 4000 
 
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4 Fator de incrustação - Rf 
 
Efeito do acúmulo de depósitos nas superfícies das paredes dos trocadores de calor, 
reduzindo seu rendimento, se apresentando como uma resistência adicional à troca de 
calor. 
Fatores intervenientes: 
- Rf=0 para um trocador novo; 
- aumenta com o aumento da temperatura de funcionamento do trocador; 
- diminui com o aumento da velocidade dos fluidos; 
- aumenta com o aumento do tempo de operação. 
 
 
#/-4&EF,%çõ'F � #I
7 										 6" 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 11 - Incrustações 
 
A tabela 2 apresenta fatores de incrustação representativos. 
 
Tabela 2 – Fatores de incrustação 
Fluido Rf (m²°C/W) 
Água* abaixo de 50°C 0,0001 
Água* acima de 50°C 0,0002 
Óleo combustível 0,0009 
Vapor (livre de óleo) 0,0001 
Refrigerantes (líquidos) 0,0002 
Refrigerantes (vapor) 0,0004 
Vapores de álcool 0,0001 
Ar 0,0004 
* água destilada, marinha, fluvial e de alimentação de caldeiras. 
 
As corrosões, incrustações químicas e biológicas também podem acontecer e devem ser 
evitadas por meio de revestimentos adequados ou tratamentos químicos. 
 
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5 Projeto e dimensionamento de trocadores de calor 
 
A escolha de um trocador de calor para atender às necessidades é um problema para o 
Engenheiro. Porém algumas análises devem ser realizadas até a etapa final da escolha: 
 
I Análise térmica 
 
a) Determinação da área de troca requerida para transmitir a quantidade de calor, 
por unidade de tempo, conhecidas as velocidades dos escoamentos e as temperaturas 
dos fluidos; 
b) Atendimentoaos códigos de segurança. 
 
II Projeto mecânico preliminar 
 
a) pressão de operação; 
b) temperatura de operação; 
c) características corrosivas dos fluidos envolvidos; 
d) expansões térmicas relativas ⇒ tensões; 
e) relação do trocador de calor com os demais equipamentos do sistema. 
 
III Projeto de fabricação 
 
a) tradução das características analisadas e dimensões determinadas em uma 
unidade que possa ser construída a um custo razoável; 
b) seleção do tipo de trocador, materiais, vedações e otimização do arranjo mecânico 
no sistema. 
 
IV Padronização 
 
Trocadores de calor não são itens de prateleira. 
Caso seja possível se utilizar de algum modelo padrão, com diâmetros e pressões 
adequados, será um ótimo parâmetro de economia no projeto. 
 
V Considerações gerais para dimensionamento de trocadores 
 
a) escoamento permanente - vazão mássica (�A ) constante dos 2 fluidos e 
propriedades físicas dos fluidos constantes; 
b) variações de energia cinética e potencial dos escoamentos são insignificantes; 
c) calor específico (cp) pode ser tratado como um valor médio com pouca perda de 
precisão; 
d) condução de calor ao longo do eixo do tubo pode ser desprezada; 
e) não há perda de calor para o meio envolvente, apenas a troca entre os fluidos; 
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f) obediência à 1ª e 2ª leis da termodinâmica: 
@AIKE/(.	I&/. � @AIKE/(.	LE'-,' 
�A I�$IMCI,F%í(% P CI,'-,&%(%Q � �A L�$LMCL,'-,&%(% P CL,F%í(%Q 
 
VI Taxa de Capacidade Térmica - C 
 
Taxa de transferência de calor necessária para alterar a temperatura do fluido de 1°C ao 
escoar através do trocador de calor: 
RI � �A I�$I										�										RL � �A L�$L 
 
Observe que em um trocador de calor: 
- o fluido com grande taxa de capacidade térmica sofre uma pequena mudança de 
temperatura; 
- o fluido com pequena taxa de capacidade térmica sofre uma grande mudança de 
temperatura. 
Desta forma, se dobrarmos a vazão mássica de um fluido a mudança de temperatura do 
fluido fica reduzida à metade. 
RIMCI,F%í(% P CI,'-,&%(%Q � RLMCL,'-,&%(% P CL,F%í(%Q 
 
Observe também que a única possibilidade do fluido quente sofrer a mesma diferença de 
temperatura que o fluido frio é quando as taxas de capacidade térmica dos dois fluidos 
são iguais. 
Em trocadores de calor onde há mudança de fase, a taxa de transferência de calor é 
expressa como: 
@A � �A 3I 
Onde �A é a taxa de evaporação ou condensação do fluido e Lf é a entalpia de vaporização 
do líquido na temperatura ou pressão especificada. 
 
Figura 12 – Variação de temperatura em trocadores de calor, condensadores e evaporadores. 
 
A taxa de transferência de calor em um trocador de calor pode também ser expressa por: 
@A � >7F∆CS 
Onde ∆CS é uma diferença de temperatura média adequada entre os dois fluidos. 
 
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VII Diferença de temperatura média logarítmica - DTML 
 
As temperaturas dos fluidos variam de ponto a ponto, na medida em que o calor é 
transferido do fluido mais quente para o mais frio. Observe as situações a e b para 
trocadores de casco e tubos: 
a) com mudança de fase: 
 
CONDENSADOR DE PASSE ÚNICO: 
- Tq é a temperatura do fluido quente que permanece constante para o vapor 
condensando, que pode estar em movimento ou não; 
- Te é a temperatura de entrada do fluido frio; 
- Ts é a temperatura de saída do fluido frio. 
 
EVAPORADOR DE PASSE ÚNICO: 
- Tq é a temperatura do fluido quente que permanece constante para o líquido 
evaporando, que pode estar em movimento ou não; 
- Te é a temperatura de entrada do fluido quente; 
- Ts é a temperatura de saída do fluido quente. 
 
Figura 13 – Condensador e evaporador de passe único 
 
b) sem mudança de fase: 
 
CORRENTES PARALELAS DE PASSE ÚNICO: 
- independentemente do comprimento do trocador, a temperatura final do fluido 
mais frio nunca vai alcançar a temperatura de saída do fluido mais quente. 
 
Figura 14 – Variações de temperatura 
 
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CORRENTES OPOSTAS DE PASSE ÚNICO 
- a temperatura do fluido mais frio pode exceder a temperatura de saída do fluido 
mais quente, já que existe um gradiente de temperatura favorável ao longo de todo o 
trocador; 
- em reação ao trocador de correntes paralelas, para uma dada quantidade de calor 
trocado por unidade de tempo é requerida uma área superficial menor. 
 
c) Análise 
�@ � >�7∆C = ��$�C 
Pela 1ª lei da termodinâmica: 
�@LE'-,' = �@I&/. 
−M��$�CQL = ±M��$�CQI = >�7MCUL − CUIQ							(7) 
Sendo CU a temperatura média de cada fluido, q substituindo quente, f substituindo frio e, 
no segundo termo da equação, o sinal: 
- positivo é para o trocador de correntes paralelas; 
- negativo é para o trocador de correntes opostas. 
−M��$QLMCUL − CL,'Q = M��$QIMCUI − CI,'Q						(8) 
CUL = CL,' − M��$QIM��$QL MCUI − CI,'Q 
Rearranjando, subtraindo CUI dos dois lados da equação: 
CUL − CUI = CL,' + M��$QIM��$QL CI,' − W1 − M��$QIM��$QLX CUI = Y(CUI)						(9) 
Levando (9) em (7): 
M��$QI�CI = >�7MCUL − CUIQ																						 �CUICUL − CUI = >�7
M��$QI 								(10) 
 
Integrando (10) da temperatura de entrada à temperatura de saída do fluido frio e ao 
longo de todo o comprimento do trocador, ou seja, ao longo de toda a área de troca, de 0 
até A: 
�� [Y(CI,F)Y(CI,')\ = >7
M��$QI 									(11) 
 
Da equação (8) obtém-se: 
M��$QIM��$QL = −MCL,F − CL,'QMCI,F − CI,'Q 
 
Levando em (11), rearranjando e chamando: 
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MCUL − CUIQ = ∆C 
@A � >7 ] ∆C'-,&%(% P ∆CF%í(%
�� ∆C'-,&%(% ∆CF%í(%⁄ "_ � >7∆CUUUU 
 
Define-se assim a diferença de temperatura média logarítmica: 
`Ca3 � ∆CUUUU � ∆C'-,&%(% P ∆CF%í(%"
�� �∆C'-,&%(% ∆CF%í(%0 �
 
 
Se o trocador é de correntes opostas: 
M��$�CQL � M��$�CQI														∆CUUUU � ∆C' � ∆CF 
 
Para trocadores mais complexos: 
∆CUUUU5'&(%('/&% � `Ca3 ∙ c 
 
Onde F é o fator de correção apresentado nos gráficos das figuras 15, 16, 17 e 18. 
 
 
Figura 15 – Fator de correção para trocadores de 1 passe no casco e qualquer múltiplo de 2 passes nos tubos 
 
Figura 16 – Fator de correção para trocadores de 2 passes no casco e qualquer múltiplo de 4 passes nos 
tubos 
 
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Figura 17 - Fator de correção para trocadores de um passe com escoamento cruzado e com os dois fluidos 
sem mistura 
 
 
Figura 18 - Fator de correção para trocadores de um passe com escoamento cruzado e com um fluido com 
mistura e o outro fluido sem mistura 
 
Os passos para a solução de exercícios sobre projetos e dimensionamentos de trocadores 
de calor estão apresentados no documento: 
 
“Roteiro para dimensionamento de Trocadores de Calor”