OS TROCADORES DE CALOR

...

I.1- 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. Existe uma variedade de construções diferentes destes trocadores dependendo da transferência de calor desejada, do desempenho, da queda de pressão e dos métodos usados para reduzir tensões térmicas, prevenir vazamentos, facilidade de limpeza, para conter pressões operacionais e temperaturas altas, controlar corrosão, etc.

Trocadores de carcaça e tubo são os mais usados para quaisquer capacidade e condições operacionais, tais como pressões e temperaturas altas, atmosferas altamente corrosivas, fluidos muito viscosos, misturas de multicomponentes, etc. Estes são trocadores muito versáteis, feitos de uma variedade de materiais e tamanhos e são extensivamente usados em processos industriais.

[pic 7]

[Figura -1.4]

I.2- Trocador tubo duplo

O trocador de tubo duplo consiste de dois tubos concêntricos. Um dos fluidos escoa pelo tubo interno e o outro pela parte anular entre tubos, em uma direção de contrafluxo. Este é talvez o mais simples de todos os tipos de trocador de calor pela fácil manutenção envolvida. É geralmente usado em aplicações de pequenas capacidades.

[pic 8]

[Figura -1.5]

I.3- Trocador de calor em serpentina

tipo de trocador consiste em uma ou mais serpentina (de tubos circulares) ordenadas em uma carcaça. A transferência de calor associada a um tubo espiral é mais alta que para um tubo duplo. Além disso, uma grande superfície pode ser acomodada em um determinado espaço utilizando as serpentinas. As expansões térmicas não são nenhum problema, mas a limpeza é muito problemática.

[pic 9]

[Figura -1.6]

II - TROCADORES DE CALOR TIPO PLACA

Este tipo de trocador normalmente é construído com placas lisas ou com alguma forma de ondulações. Geralmente, este trocador não pode suportar pressões muito altas, comparado ao trocador tubular equivalente.

[pic 10]

[Figura -1.7]

1.3 – COEFICIENTE GLOBAL DE TROCA DE CALOR

Em transferência de calor o conceito de Coeficiente Global de Troca de Calor, U, é apresentado como uma maneira de sistematizar as diferentes resistências térmicas equivalentes existentes num processo de troca de calor entre duas correntes de fluido, por exemplo. A partir da lei do resfriamento de Newton:

[pic 11] (1.1)

que envolve a temperatura da superfície exposta a uma das correntes de fluido, estendemos o raciocínio para envolver outras partes do sistema.

Em diversos momentos ao longo do curso de transferência de calor, estudamos a troca de calor entre fluidos e superfícies divisoras do escoamento. Com as hipóteses de regime permanente, ausência de fontes, etc; utilizamos o conceito das resistências térmicas equivalentes e eventualmente apresentamos o Coeficiente Global de Troca de Calor, U. Vejamos dois exemplos:

- parede plana

- parede cilíndrica

[pic 12]

[Figura -1.8]

Dando origem ao circuito térmico equivalente:

[pic 13]

Ou seja, nestas condições, o calor trocado foi escrito como:

[pic 14] (1.2)

onde Tb indica a temperatura média de mistura de cada um dos fluidos.

Parede cilíndrica:

Consideremos a transferência de calor entre os fluidos do casco e dos tubos nos feixes de tubos de um trocador multitubular, como mostra a figura 1.9. O calor trocado entre os fluidos através das superfícies dos tubos pode ser obtido considerando as resistências térmicas :

[pic 15]

[Figura 1.9]

[pic 16], onde : (1.3)

[pic 17]

[pic 18]

[pic 19]

[pic 20]

Considerando que a resistência térmica a convecção na parede dos tubos de um trocador é desprezível (tubos de parede fina e de metal), a equação 1.3 pode ser rescrita da seguinte forma :

[pic 21] (1.4)

Como o objetivo do equipamento é facilitar a troca de calor, os tubos metálicos usados são de parede fina ( ri ≅ re ). Portanto, as áreas da superfícies interna e externa dos tubos são aproximadamente iguais, ou seja, Ai ≅ Ae. Assim, temos que :

[pic 22] (1.5)

O coeficiente global de transferência de calor em um trocador ( UC ) é definido assim :

[pic 23] (1.6)

A equação 1.6 pode ser colocada na seguinte forma :

[pic 24] (1.7)

Levando a equação 1.7 na equação 1.5 a expressão para a transferência de calor em um trocador fica assim :

[pic 25] (1.8)

Quando estudamos a troca de calor por convecção no interior de dutos e canais, começamos a relaxar a hipótese de temperatura média de mistura constante ao longo do escoamento. Consideramos duas situações para a condição térmica: fluxo de calor constante ou temperatura superficial constante. Após a devida análise, determinamos como a temperatura média de mistura do fluido varia do comprimento da superfície:

- Fluxo constante de calor na parede:

[pic 26] (1.9) [pic 27]

- Temperatura superficial constante:

[pic 28]