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Aula 23 – Trocadores de Calor
UFJF/Departamento de Engenharia de Produção e Mecânica
Prof. Dr. Washington Orlando Irrazabal Bohorquez
Trocadores de Calor
Definição:
Os equipamentos usados para implementar a troca de calor entre doisfluidos ou mais sujeitos a diferentes temperaturas são denominadosfluidos ou mais sujeitos a diferentes temperaturas são denominadosTrocadores de Calor.
Classificação de trocadoresde calor:
Podemos classificar os trocadores dePodemos classificar os trocadores dediversas maneiras:I. Quanto ao modo de troca de calor;II. Quanto ao número de fluidos;III. Tipo de construção, etc.
Trocadores de Calor
Classificação de trocadores de calor:
Trocadores de Calor
Classificação de trocadores de calor:
Trocadores de calor de contato direto
• Neste trocador, os dois fluidos se misturam.
• Aplicações comuns de um trocador de contatodireto envolvem transferência de massa alémde transferência de calor
• Comparado a recuperadores de contato indireto• Comparado a recuperadores de contato indiretoe regeneradores, são alcançadas taxas detransferência de calor muito altas
• Sua construção é relativamente barata.
Torres de resfriamento
Trocadores de Calor
Classificação de trocadores de calor:
Trocadores de calor de contato direto
Torres de resfriamento
Trocadores de Calor
Classificação de trocadores de calor:
Trocadores de calor de contato indireto
Tipo de trocadores de transferência direta
• Neste tipo, há um fluxo contínuo de calor dofluido quente ao frio através de umaparede que os separa.
• Não há mistura entre eles, pois cadacorrente permanece em passagenscorrente permanece em passagensseparados.
• Este trocador é designado como umtrocador de calor de recuperação, ousimplesmente como um Recuperador.
Tipo de trocadores de transferência direta
Trocadores de CalorClassificação de trocadores de calor:
Trocadores de calor de contato indireto
Trocadores de armazenamento
Trocadores de Calor
Classificação de trocadores de calor:
Trocadores de calor de contato indireto
Trocadores de armazenamento
• Em um trocador de armazenamento, os ambos fluidospercorrem alternativamente as mesmas passagens detroca de calor.
• A superfície de transferência de calor geralmente é de umaestrutura chamadamatriz.
• Para aquecimento, o fluido quente atravessa a superfíciede transferência de calor e a energia térmica éarmazenada na matriz. Posteriormente, quando o fluido frioarmazenada na matriz. Posteriormente, quando o fluido friopassa pelas mesmas passagens, a matriz “libera” aenergia térmica (em refrigeração o caso é inverso).
• Este trocador também é chamado regenerador.
• Podem ser dinâmicos ou estáticos.
• Os estáticos não possuem partes móveis e consistem emuma matriz através da qual passa alternadamente os fluidosquentes e frios.
Trocadores de armazenamento
Trocadores de Calor
Classificação de trocadores de calor:
Trocadores de calor de contato indireto
Trocador de calor regenerativo dinâmico
Trocador de calor regenerativo dinâmico
Trocadores de armazenamento
Trocadores de Calor
Classificação de trocadores de calor:
Trocadores de calor de contato indireto
Trocador de calor regenerativo dinâmico
Trocadores tubulares
Trocadores de carcaça e tubo
Trocadores de Calor
Classificação de trocadores de calor:
Trocadores de carcaça e tubo
• Este trocador é construído com tubos e uma carcaça.
• Um dos fluidos passa por dentro dos tubos, e o outro pelo espaço entre a carcaça e os tubos. carcaça e os tubos.
• São os mais usados para quaisquercapacidades e condições operacionais,tais como pressões e temperaturasaltas, atmosferas altamente corrosivas,fluidos muito viscosos, etc.
Trocador tubo duplo
Trocadores tubulares
Trocadores de Calor
Classificação de trocadores de calor:
Trocador tubo duplo
• O trocador de tubo duplo consiste dedois tubos concêntricos.
• Um dos fluidos escoa pelo tubointerno e o outro pela parte anularentre tubos, em uma direção decontra fluxo.contra fluxo.
• Este é talvez o mais simples de todosos tipos de trocador de calor pela fácilmanutenção envolvida. É geralmenteusado em aplicações de pequenascapacidades.
Trocadores tubulares
Trocadores de Calor
Classificação de trocadores de calor:
Trocador de calor em serpentina
• Este tipo de trocador consiste em uma oumais serpentinas (de tubos circulares)ordenadas em uma carcaça.
• Uma grande superfície pode seracomodada em um determinado espaçoacomodada em um determinado espaçoutilizando as serpentinas.
• As expansões térmicas não são nenhumproblema, mas a limpeza é muitoproblemática.
Trocadores de calor tipo placa
• Este tipo de trocador normalmente é
Trocadores de Calor
Classificação de trocadores de calor:
• Este tipo de trocador normalmente éconstruído com placas planas lisas ou comalguma forma de ondulações.
• Geralmente, este trocador não podesuportar pressões muito altas, comparadoao trocador tubular equivalente.
• São trocadores de calor tipo compactos.• São trocadores de calor tipo compactos.
A razão entre a área de superfície detransferência de calor e o volume dotrocador é maior que 700 m2/m3.
Exemplo: radiadores de automóveis(As/V=1100 m2/m3).
Trocadores de calor tipo compactoRadiador
Trocadores de Calor
Classificação de trocadores de calor:
Particularidades:Trocadores de calor de acordo com o tipo de construção
Trocadores de Calor
Classificação de trocadores de calor:
Trocadores de calor de placa aletada
• São construídos de forma que aletas
com o tipo de construção
• São construídos de forma que aletasplanas ou onduladas são separadaspor chapas planas.
• Correntes cruzadas, contracorrente oucorrentes paralelas são arranjosfacilmente obtidos.
Particularidades:Trocadores de calor de acordo com o tipo de construção
Trocadores de Calor
Classificação de trocadores de calor:
Trocadores de calor de tubo aletado
com o tipo de construção
Trocadores de calor de tubo aletado
• São geralmente construídos com tuboscilíndricos ou chatos onde sãoinstaladas aletas.
• Suportam altas pressões.
Particularidades:Trocadores de calor de acordo com a disposição do escoamento
Trocadores de calor de correntes paralelas
Trocadores de Calor
Classificação de trocadores de calor:
Trocadores de calor de correntes paralelas
• Os fluidos quente e frio entram na mesmaextremidade do trocador de calor, fluem namesma direção e deixam juntos a outraextremidade.
Trocadores de calor em contracorrente
• Os fluidos quente e frio entram emextremidades opostas do trocador de calore fluem em direções opostas
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e fluem em direções opostas
Trocadores de calor de correntes cruzadas
• Os fluidos, em geral, fluemperpendicularmente um ao outro.
• Na disposição em correntes cruzadas, oescoamento pode ser misturado ou nãomisturado.
Particularidades:Trocadores de calor de acordo com a disposição do escoamento
Trocadores de Calor
Classificação de trocadores de calor:
Trocadores de calor de correntescruzadas
• Os fluidos, em geral, fluemperpendicularmente um ao outro.
• Na disposição em correntes cruzadas, oescoamento pode ser misturado ou nãomisturado.
Trocadores de calor de escoamento em Trocadores de calor de escoamento em multipasse
• A configuração em passes múltiplos éfrequentemente empregada em trocadoresde calor por intensificar a troca térmica.
• É possível uma grande variedade deconfigurações.
Distribuição de temperatura nos trocadores de calor
Trocadores de Calor
Coeficiente global de troca de calor - U
Uma etapa essencial, porém a mais imprecisa de qualquer análise detrocadores de calor é a determinação do coeficiente global de troca decalor. Este coeficiente é definido em função da resistência térmica total à
Trocadores de Calor
calor. Este coeficiente é definido em função da resistência térmica total àtransferência de calor entre dois fluidos.
Analogia entre resistência térmica e resistência elétrica
Nestas condições, o calor trocado foi escrito como:
• Ao longo da operação normal de trocadores de calor, as superfícies estão sujeitasà deposição de impurezas dos fluidos, à formação de ferrugem ou a outrasreações entre o fluido e o material que compõe a parede.
• Isto, aumenta a resistência à transferência de calor entre os fluidos. Esse efeito
Coeficiente global de troca de calor - U
Trocadores de Calor
•pode ser levado em conta através da introdução de uma resistência térmicaadicional, conhecida por fator de deposição, Rf.
• Aletas são adicionadas às superfícies expostas a um ou ambos os fluidos paraaumentar a área superficial, reduzem a resistência térmica à transferência decalor por convecção.
• Com a inclusão da deposição e as aletas, o coeficiente global de transferênciade calor pode ser escrito:
Os subscritos, c, h representam fluido frio e quente.
Rf é a resistência térmica devida a deposição de partículas na parede ("fouling factor").
Rw (resistência térmica de condução) é desprezado. Paredes finas e materiais com altos k.
ηo - eficiência da superfície ou efetividade da temperatura de uma superfície aletada.
Ac e Ah são diferentes!!!
• A eficiência da superfície ou efetividade da temperatura de umasuperfície aletada, ηo, é definida pela expressão:
Coeficiente global de troca de calor - U
Trocadores de Calor
Sendo:
Eficiência da aleta (ηf )
Aletas planas:
• A resistência térmica adicional devida a deposição de partículas naparede ("fouling factor") é dada na tabela ao lado:
Coeficiente global de troca de calor - U
Trocadores de Calor
parede ("fouling factor") é dada na tabela ao lado:
• Valores representativos do Coeficiente global de transferência decalor encontram se resumidos na tabela abaixo:
Coeficiente global de troca de calor - U
Trocadores de Calor
calor encontram se resumidos na tabela abaixo:
• O coeficiente global de transferência de calor pode ser determinado apartir do conhecimento dos coeficientes de convecção nos fluidos quente
Coeficiente global de troca de calor - U
Trocadores de Calor
partir do conhecimento dos coeficientes de convecção nos fluidos quentee frio, dos fatores de deposição e superfícies aletadas.
• Para os trocadores de calor sem aletas, o coeficiente global de troca decalor é dado por:
• Lembre que a grande dificuldade está no calculo dos coeficientes deconvecção que depende de vários fatores.
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