Fundamentos teóricos de trocadores de calor

Transmissão de calor

Transmissão de calor é denominada como a passagem de energia térmica, que durante a transferência recebe o nome de calor, de um corpo para outro ou de uma parte para outra do mesmo corpo.

Mecanismos de transferência de calor

Condução:

Ocorre a nível molecular. É o processo onde a energia

térmica passa de um local para o outro através das partículas do meio que os separa.

As partículas mais energéticas (que se encontram em locais onde se registra uma maior temperatura) transferem parte da sua energia vibracional, rotacional e translacional por contacto com outras partículas contíguas menos energéticas (que se encontram a uma menor temperatura) as quais recebem essa energia.

Condução

K= Condutividade térmica; A= Área de transferência perpendicular ao fluxo; L=largura da parede.

Condução

Se o material possuir uma condutividade térmica elevada, como é o caso dos metais, a parede oferece pouca resistência à transmissão de calor por condução, e a queda de temperatura através da parede é baixa, isto é, se kT → ∞, Rparede → 0 , TS1 ≈ TS2. Diz-se nesse caso que o material é bom condutor.

Material kT (W.m-1.K-1)

Cobre (puro)

401

Ferro (puro)

80

Madeira 0,10 - 0,19

Água 0,61

Ar 0,026

Condução

Ex.: A parede de um forno industrial é construído em tijolo refratário com 0,15 m de espessura, cuja condutividade térmica é 1,7 W/(m.K). Medidas efetuadas ao longo da operação em regime estacionário revelam temperaturas de 1400 e 1150 K nas paredes interna e externa, respectivamente. Qual é a taxa de calor perdida através de uma parede que mede 0,5 m por 1,2m?

Condições: Regime estacionário, condução unidimensional na parede e condutividade térmica constante.

Condução

Para as geometrias cilíndrica e esférica e considerando o fluxo de calor exclusivamente na direção radial, a área de transferência não é constante ao longo do raio e as equações correspondentes são (considerando estado estacionário - temperaturas TS0 e TSiconstantes no tempo):

Convecção

A existência de um fluido em movimento (líquido ou gás), acelera o processo de transferência de calor se um fluido mais frio (T∞), ficar em contacto com uma superfície mais quente (TS) Esta transferência dá-se em simultâneo com a transferência de calor ao nível molecular (por condução) sendo, no entanto, mais eficaz.

O movimento pode ser provocado por agentes externos, como por exemplo pela atuação de uma ventoinha, de um agitador ou de uma bomba centrífuga (convecção forçada), ou por diferenças de densidade resultantes do próprio aquecimento do fluido (convecção natural ou livre)

Convecção

h= coeficiente de transferência de calor (W.m-2.K-1); A= área de transferência perpendicular ao fluxo (m); Ts= Temperatura da superfície; T∞=Temperatura do fluido.

Tipo de convecção h (W.m-2.K-1)

Convecção natural em gases 2 - 15

Convecção natural em líquidos 50 - 1000

Convecção forçada em gases 15 - 250

Convecção forçada em líquidos 100 - 20000

Radiação

É o processo de transmissão de calor através de ondas eletromagnéticas (ondas de calor). A energia emitida por um corpo (energia radiante) se propaga até o outro, através do espaço que os separa. A radiação não exige a presença do meio material para ocorrer, ou seja, ela pode ocorrer no vácuo.

sendo σ=5,67×10-8 W.m-2.K-4 a constante de Stefan-Boltzmann, ε, a emissividade da superfície emissora (0<ε≤1), A, a sua área e Ts a sua temperatura absoluta do corpo e Tviz a da vizinhança(K).

Radiação

Material Emissividade, ε

Vegetação, solo, água, pele 0,92 – 0,96

Asfalto 0,85 – 0,93

Aço inox polido 0,17

Ouro, prata ou cobre polidos 0,018 – 0,035

Trocador de calor

Os equipamentos de troca de calor tem como finalidade a transferência de calor de um fluido (líquido ou gás) para outro fluido.

Qualquer que seja o objetivo do aparelho de troca de calor, os fluidos devem estar em temperaturas diferentes e o calor trocado passa sempre do fluido mais quente para o mais frio.

Classificação dos trocadores de calor

A transferência de calor pode ser efetuada de várias maneiras: Pelo processo de transferência de calor;

Tipo de construção;

Disposição das correntes

Processo de transferência de calor

Contato direto: A transferência de calor ocorre entre dois fluidos imiscíveis, como um gás e um líquido, que entram em contato direto. Ex.: Torres de resfriamento. Contato indireto: Neste caso os fluidos quente e frio estão separados por uma parede impermeável, e recebem o nome de trocadores de calor de superfície. Não há mistura entre os fluidos, existe uma parede entre eles, que possui uma forma especial, em função do tipo de operação que se realiza. Ex.: Radiadores de automóveis.

Torre de resfriamento – Tiragem natural

Torre de resfriamento – Tiragem forçada

Contato indireto

Radiador

Contato indireto

condensador

Classificação de acordo com o tipo de construção

Tubulares;

Tubo aletado;

Placa;

Placa aletada;

Regenerativos.

Trocador de calor tipo duplo

São constituídos de dois tubos, um inserido dentro do outro, concentricamente, formando dois espaços de escoamento, um por dentro do tubo interno e outro pelo espaço anular entre os tubos interno e externo.

Trocador de calor tipo duplo

Trocador de calor tipo duplo

Trocador de calor tipo casca e tubo

Consiste em tubos cilíndricos montados em um casco cilíndrico, com os eixos paralelos ao eixo do casco;

Possui chicanas para melhorar a circulação do fluido do tubo externo;

Podem operar em extremo domínio de temperatura e pressão;

A facilidade de fabricação e o custo relativamente baixo constituem a principal razão para seu emprego disseminado nas aplicações de engenharia;

Os fluidos utilizados são: líquido/líquido, líquido/gás e gás/gás (tubos aletados).

Trocador de calor tipo casca e tubo

Trocador de calor tipo casca e tubo

Trocador de calor tipo casca e tubo

Trocador de calor tipo casca e tubo

Classificação gral dos trocadores de casco e tubos

A Tema (Tubular Exchanger Manufactors Association) publica normas para projeto e construção de permutadores de casco e tubo. Estas especificações servem para três classes de permutadores:

Classe R

Para condições severas de processamento de petróleo e produtos químicos, serviços rigorosos, em que se deseja obter segurança e durabilidade.

Classe C

Para condições moderadas de operação, tendo em vista a máxima economia e o mínimo tamanho, condizentes com as necessidades de serviço.

Classe A

Para condições severas de temperatura e fluidos altamente corrosivos.

Escolha do fluido

Não há regras fixas que estabeleçam que tipo de fluido deve passar pelos tubos. A escolha do fluido que passa pelos tubos ou pelo casco deve atender às melhores condições para o processo, menor custo de construção e à facilidade de manutenção. De maneira geral, passam pelos tubos:

Fluidos mais sujos

Com depósitos, coque, sedimentos, catalisadores etc. É mais fácil remover a sujeira dos tubos do que do casco.

Fluidos mais corrosivos

Mais econômico usar tubos resistentes à corrosão do que um casco com a mesma propriedade e mais fácil substituir tubos furados do que o casco.

Escolha do fluido

Fluidos com maior pressão Porque o casco tem menor resistência em virtude do seu maior diâmetro.

Fluidos menos viscosos A menos que a perda da pressão deva ser muito baixa.

Água de resfriamento Facilidade de limpeza.

Fluidos de menor vazão volumétrica Em vista de o casco oferecer mais espaço. Entre líquidos de propriedades semelhantes, devem passar pelos tubos aqueles de maior pressão e maior temperatura.

Materiais de fabricação

a) Tubos: são geralmente de aço carbono comum, quando o meio não é agressivo. Conforme a agressividade do meio, empregam-se:

- aços liga (4 - 6% Cr);

- aços inoxidáveis-(Cr-Ni ou Cr -Ni-Mo);

- latões(Cu-Zn),bronze(Cu-Sn);

- ligas de Cu-Ni, aluminio.

b) Casco: geralmente é feito de aço carbono, em chapas, que são calandradas e soldadas, no caso de não haver tubo nas dimensões desejadas.

Trocador de calor tipo casca e tubo

Trocadores de calor de placa

São constituídos de placas delgadas. Essas placas podem ser lisas ou onduladas;

Como a geometria plana não pode suportar pressões ou diferenças de temperaturas tão altas, são projetados para temperaturas ou pressões moderadas.

Trocadores de calor de placa

Trocadores de placas aletadas

Esses trocadores geralmente são empregados nas trocas de gás para gás, porém a baixas pressões, que não ultrapassem 10 atm (1.000 kPa).

As temperaturas máximas de operação estão limitadas a cerca de 800°C . Geralmente são aplicados em criogenia.

Trocadores de placas aletadas

Trocadores de calor regenerativos

Podem ser estáticos ou dinâmicos;

Estático: não tem partes móveis e consiste em uma massa porosa através do qual passam alternadamente fluidos quentes e frios. Ex.: pré-aquecedores de ar.

Dinâmico: o miolo tem a forma de um tambor que gira em torno de um eixo de modo que uma parte qualquer passa periodicamente através da corrente quente e em seguida, através da corrente fria. Ex.: Pré-aquecedor de ar Ljungstrom.

Trocadores de calor regenerativos

Trocadores de calor espiral

Consistem em duas longas chapas lisas enroladas em torno de canais centrais, criando dois canais espirais concêntricos.

O fluido quente entra por um canal central, percorrendo um dos canais elípticos até a saída na periferia do casco.

O fluido frio entra pela periferia do casco, percorrendo o outro canal elíptico até a saída no último canal central, trocando calor em contracorrente.

Muito usados para fluidos viscosos ou sujos, como asfalto.

Trocadores de calor espiral

Classificação segundo a disposição das correntes

Correntes paralelas: Os fluidos quente e frio entram na mesma extremidade do trocador de calor, fluem na mesma direção e deixam juntos a outra extremidade.

Classificação segundo a disposição das correntes

Contra-corrente: Os fluidos quente e frio entram em extremidades opostas do trocador de calor, fluem em direções opostas.

Classificação segundo a disposição das correntes

Correntes cruzadas: Os fluidos quente e frio fluem perpendicularmente um ao outro. Na disposição com correntes cruzadas, o escoamento pode ser misturado ou não, dependendo do projeto.

Classificação segundo a disposição das correntes

Escoamento multipasse: A configuração de escoamento com passes múltiplos é empregada freqüentemente no projeto de trocadores de calor, pois intensifica a eficiência global do processo.