O Trocador de Calor

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A Figura 6 ilustra um trocador de calor duplo tubo com dois variados tipos de escoamento. Barlet (1996) atribui como ponto positivo à maior velocidade de escoamento devido ao escoamento turbulento, que é resultado da passagem do fluido por um único tubo. Os trocadores de calor duplo tubo são uma boa alternativa para processos que operam com baixas vazões e grandes diferenças de temperatura nos fluidos (SAUNDERS, 1988).

- (b)

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Figura 6: Trocadores de calor de tubos concêntricos. (a) Escoamento paralelo. (b) Escoamento contracorrente. Fonte: INCROPERA, et al., 2013.

- Tipo de escoamento em trocadores de calor

O tipo de escoamento nos trocadores de calor varia de acordo com a necessidade de troca térmica requerida. Os tipos mais comuns de escoamentos encontrados nas indústrias são paralelo e contracorrente.

- Trocador de calor com escoamento em paralelo

Na configuração em paralelo, ambos fluidos escoam paralelamente, ou seja, entram pelo mesmo lado do trocador de calor e saem pela outra extremidade do equipamento (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).

Como pode ser visto na Figura 7, a diferença de temperatura entre os fluidos no inicio do processo é muito grande, mas decresce rapidamente no decorrer do processo, se aproximando a zero (MORAN et al., 2014). Incropera et al.(2013) e Moran et al.(2014) ressaltam que nesse tipo de escoamento a temperatura do fluido frio nunca ultrapassa a temperatura do fluido quente.

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Figura 7: Distribuições de temperatura para um trocador de calor com escoamentos paralelos. Fonte: MORAN et al., 2014.

- Trocador de calor com escoamento em contracorrente

Nos trocadores de calor com escoamento em contracorrente os fluidos escoam em direções opostas um ao outro, cada um entrando por uma extremidade do equipamento (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).

De acordo com a Figura 8, a variação na diferença de temperatura no decorrer do processo não é tão alta quanto na configuração em paralelo. Neste tipo de escoamento a principal vantagem é que a temperatura que o fluido frio sai do sistema pode ser maior que a temperatura de saída do fluido quente (MORAN et al., 2014).

Çengel e Ghajar (2012) ressaltam apenas que a temperatura máxima que o fluido frio sai do trocador de calor nunca poderá exceder a temperatura de entrada do fluido quente, pois isso estaria em desacordo com a segunda lei da termodinâmica.

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Figura 8: Distribuições de temperatura para um trocador de calor com escoamento em contracorrente. Fonte: MORAN et al., 2014.

- Equação da taxa de transferência de calor

Considerando que a superfície externa ao equipamento esteja isolada, que não haja mudança de energia cinética e potencial no processo, que a troca de calor ocorra apenas entre os dois fluidos, que os fluidos não mudam de fase e o calor específico é constante, o balanço de energia para um trocador de calor é representado por (INCROPERA et al.2013):

qc = ṁq.cpq.(Tqent– Tq sai)

(6)

qr = ṁf.cpf.(Tfent– Tfsai)

(7)

Onde: qc= taxa de transferência de calor cedida pelo fluido, qr= taxa de transferência de calor recebida pelo fluido, ṁf= vazão mássica do fluido frio, ṁq= vazão mássica do fluido quente, Tqent=Temperatura de entrada do fluido quente, Tqsai= Temperatura de saída do fluido quente, Tf ent= Temperatura de entrada do fluido frio, Tf sai= Temperatura de saída do fluido frio, cpq= calor específico do fluido quente e cpf=calor específico do fluido frio.

- Diferença de temperatura média logarítmica

Durante o resfriamento, as temperaturas dos fluidos não são constantes, variando à medida que ocorre a transferência de calor, ou seja, a taxa de fluxo de calor varia ao longo do processo (KREITH; BOHN, 2013). A diferença de temperatura média logarítmica é a melhor forma de representar a temperatura média na análise de trocadores de calor (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).

A equação da taxa de troca térmica, segundo Incropera et al. (2013) é bem representada por:

q = U.A.[pic 6]

(8)

Onde: q= taxa de transferência de calor, U= coeficiente de troca térmica, A= área de troca térmica, ΔT1= diferença de temperatura do lado esquerdo do trocador e ΔT2= diferença de temperatura do lado direito do trocador.

Sendo a diferença de temperatura média logarítmica representada por:

ΔTml= [pic 7]

(9)

Reorganizando:

ΔTml= [pic 8]

(10)

Onde: ΔTml = diferença de temperatura média logarítmica, ΔT1= diferença de temperatura do lado esquerdo do trocador e ΔT2= diferença de temperatura do lado direito do trocador.

Cálculos numéricos determinam que a diferença de temperatura média logarítmica em contracorrente é mais elevada quando comparado com escoamento paralelo (MOSHINSKIJ, 2011).

Para trocador de calor operando com correntes paralelas tem-se (BOHORQUEZ, 2016):

= Tqent– Tfent[pic 9]

(11)

= Tqsai– Tfsai[pic 10]

(12)

Para trocadores de calor operando em contracorrente tem-se (BOHORQUEZ, 2016):

= Tqent– Tfsai[pic 11]

(13)

= Tqsai– Tfent[pic 12]

(14)

Segundo Kreith e Bohn (2013) o uso da diferença de temperatura média logarítmica é apenas uma aproximação utilizada na prática, uma vez que o coeficiente global de transferência térmica não é uniforme e constante.