Fenmenos de Transporte

Trocadores de Calor

2 Semestre de 2013

Para o exemplo anterior considere que o tubo seja de cobre com 32 mm de dimetro externo e espessura ideal. Assumindo que o tubo passe 10 vezes pelo trocador de calor TC-1-2 determine a taxa de transferncia de calor para um caso unitrio quando: a) A corrente for paralela. b) A corrente for oposta. O fluido do tubo leo cujo o coeficiente convectivo 32 W/m2k. E o fluido externo vapor de gua com coeficiente convectivo de 60 W/m2k.

Trocadores de calor

equipamentos usados no processo de troca de calor entre dois fluidos que esto em diferentes temperaturas e separados por uma parede slida.

Esto presentes em diversas aplicaes da engenharia.

So usados em: aquecedores, resfriadores, condensadores, evaporadores, torres de refrigerao, caldeiras, entre outras.

Tipos de trocadores de calor

- Fluidos so separados por parede atravs da qual o calor atravessa.

a) Duplo Tubo

So formados por dois tubos concntricos, pelo interior do tubo interno passa um fluido e, no espao entre as superfcies externa do primeiro e interna do segundo, passa o outro fluido. A rea de troca de calor a rea do tubo interior.

Vantagens: simples, tem custo reduzido e facilidade de desmontagem para limpeza e manuteno.

Desvantagem: pequena rea de troca de calor .

Duplo Tubo

http://www.metalica.com.br/images/stories/Id3728/trocadores-de-calor-01.jpg

b) Trocador do tipo serpentina

So formados por um tubo enrolado na forma de espiral, formando a serpentina, a qual colocada em uma carcaa ou recipiente.

A rea de troca de calor rea da serpentina.

permite maior rea de troca de calor que o duplo tubo e tem grande flexibilidade de aplicao

usado principalmente quando se quer aquecer ou resfriar um banho.

http://wwwusers.rdc.puc-rio.br/wbraga/transcal/Trocadores/Trocs13.htm

https://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&docid=Ccx8Q4_yx5M87M&tbnid=MqO_Bh7XffbvhM:&ved=0CAMQjhw&url=http%3A%2F%2Fsuperatomicos.blogspot.com%2F2010%2F04%2Ftrocador-de-calor-modelo-serpentina.html&ei=LLmwUcySMZHF4AOM84DAAg&psig=AFQjCNFPR5x3TKpcOO4K9T-dpNAUWFKwaw&ust=1370622319577281

c) Trocador Multitubular So formados por um feixe de tubos paralelos contidos em um tubulao cilndrico denominado de casco.

Um dos fluidos (fluido dos tubos ) escoa pelo interior dos tubos, enquanto que o outro (fluido do casco ) escoa por fora dos tubos e dentro do casco.

Defletores (ou chicanas) so normalmente utilizados para aumentar o coeficiente convectivo do fluido do casco pelo aumento da turbulncia e da velocidade de escoamento deste fluido.

http://www.hrs-heatexchangers.com/pt/galeria/image.aspx?img=mi-series%2Fmi-series-header-detail.jpg

http://rotadosconcursos.com.br/provas/tecnico-area-operacoes-5243/11

Trocador de Calor casco e tubos com um passe no casco e um passe nos tubos (Contracorrente).

Feixe tubular com tubos (alto rendimento trmico)

http://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema003/trocador/cascotub.htm

Trocador de Calor casco e tubos

a - Um passe no casco e dois passes nos tubos.

b - Dois passes no casco e quatro passes nos tubos.

Trocadores do tipo casco-tubos, so os mais usados na indstria porque oferecem uma grande rea de troca de calor se um dos fluidos do trocador condensa ou evapora, o trocador tambm denominado condensador ou evaporador, respectivamente

d) Trocadores de calor compactos Quando um trocador de calor tem uma densidade de rea

superficial superior a 700 m2/m3 para gases e 400 m2/m3 para lquidos e chamado de trocador de calor compacto.

Estes trocadores so normalmente empregados com correntes gasosas, seu coeficiente de troca de calor baixo, mais so pequenos e compactos.

Apresentam densas matrizes de tubos aletados ou placas e so tipicamente usados quando pelo menos um dos fluidos um gs. Os tubos podem ser planos ou circulares.

ALGUMAS DEFINIES Um fluido d um passe quando percorre uma vez o comprimento

do trocador.

Aumentando o nmero de passes, para a mesma rea transversal do trocador, aumenta a velocidade do fluido e portanto o coeficiente convectivo, com o consequente aumento da troca de calor. Porm, isto dificulta a construo e limpeza e encarece o trocador.

A notao utilizada para designar os nmeros de passes de cada fluido exemplificada na figura abaixo.

ALGUMAS DEFINIES Tipo de escoamento relativo dos fluidos do casco e dos tubos:

Escoamento em correntes paralelas (fluidos escoam no mesmo sentido ) e correntes opostas ( fluidos escoam em sentidos opostos)

Para cada um do casos de escoamento relativo a variao da temperatura de cada um dos fluidos ao longo do comprimento do trocador pode ser representada em grfico

As diferenas de temperatura entre os fluidos nas extremidades do trocador, para o caso de correntes paralelas, so: ( te - Te) que sempre mxima (Tmax) e (ts-Ts) que sempre mnima (Tmin ).

No caso de correntes opostas, as diferenas de temperatura nas extremidades (te Ts) e (ts - Te) podem ser mxima (Tmax) ou mnima (Tmin) dependendo das condies especficas de cada caso.

O fluxo de calor transferido entre os fluidos em um trocador diretamente proporcional diferena de temperatura mdia entre os fluidos. No trocador de calor de correntes opostas a diferena de temperatura entre os fluidos no varia tanto, o que acarreta em uma diferena mdia maior . Como consequncia, mantidas as mesmas condies, o trocador de calor trabalhando em correntes opostas mais eficiente.

MDIA LOGARTMICA DAS DIFERENAS DE TEMPERATURAS

Como a variao de temperatura ao longo do trocador no linear , para retratar a diferena mdia de temperatura entre os fluidos usada ento a Mdia Logartmica das Diferenas de Temperatura (MLDT)

Exemplo 1 - Num trocador de calorTC-1.1 onde o fluido quente entra a 900C e sai a 600C e o fluido frio entra a 100C e sai a 500C, qual o MLDT para :

a) correntes paralelas;

b) correntes opostas.

BALANO TRMICO EM TROCADORES DE CALOR

Fazendo um balano de energia em um trocador de calor, considerado como um sistema adiabtico, temos :

Calor transferido do fluido quente = calor recebido pelo fluido frio

=

. = .

Se um dos fluido sofre transformao de estado, ento o calor dado pelo calor latente de transformao (Htrasformao) , e no haver variao de temperatura.

= .

COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERNCIA DE CALOR

Consideremos a transferncia de calor entre os fluidos do casco e dos tubos nos feixes de tubos de um trocador multitubular.

O calor trocado entre os fluidos atravs das superfcies dos tubos pode ser obtido considerando as resistncias trmicas :

Como em um trocador de calor a resistncia trmica na parede do tubo desprezvel ento

Como o objetivo do equipamento facilitar a troca de calor, os tubos metlicos usados so de parede fina (rire). Portanto, as reas da superfcies interna e externa dos tubos so aproximadamente iguais, ou seja, AiAe. Assim, temos que :

O coeficiente global de transferncia de calor em um trocador ( UC) definido como:

A expresso para a transferncia de calor em um

trocador fica:

Como visto anteriormente, o T em um trocador de calor representado pela mdia logartmica das diferenas de temperatura (MLDT).