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1 Universidade Federal do Paraná Curso de Engenharia Industrial Madeireira MÁQUINAS TÉRMICAS AT-056 M.Sc. Alan Sulato de Andrade 1

2 DEFINIÇÃO: Trocadores de calor são dispositivo utilizados para realizar processos da troca térmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas. Estes processos são comuns em muitas aplicações da Engenharia. Podemos utilizá-los no aquecimento e resfriamento de ambientes, no condicionamento de ar, na produção de energia, na recuperação de calor e no processo químico. DEFINIÇÃO: Normalmente, os dois fluidos são separados por paredes sólidas, sendo chamados de superfícies de troca. No caso de fluidos imiscíveis, as paredes sólidas podem ser dispensadas, sendo chamados de contato direto. 2

3 SEPADADOS POR PAREDES: Vapor com baixa temperatura Troca térmica Fluído com ganho de temperatura Fluído de entrada com baixa temperatura Vapor com alta temperatura CONTATO DIRETO: Fluído aquecido Troca térmica Densidades Fluído de aquecimento de alta temperatura Fluído de aquecimento de baixa temperatura 3

4 CLASSIFICAÇÃO: Normalmente os trocadores de calor (TC) são classificados pelo: Arranjo do escoamento; Correntes Paralelas; Correntes Contrárias ou Opostas; Correntes Cruzadas; Tipo construtivo; Duplo tubo, Casco tubo, Placas, Compactos, Tubos aletados, etc; CORRENTES PARALELAS: Nesse tipo de trocador de calor, o fluido quente e o frio entra pelo mesmo lado do trocador e escoam no mesmo sentido. Conforme os fluidos escoam, há a transferência de calor do fluido quente para o frio. Usualmente estão associados a trocadores tipo duplo tubo; 4

5 CORRENTES PARALELAS: CORRENTES OPOSTOS: Nesse tipo de trocador de calor, o fluido quente entra por um lado e o frio entra pelo lado oposto. O escoamento ocorre em sentidos opostos. Apresenta uma maior eficiência global quando comparado com o de corrente paralela. 5

6 CORRENTES OPOSTOS: CORRENTES CRUZADAS: Nesse tipo de trocador de calor, o escoamento são perpendiculares entre si. Nesse tipo de trocador podemos tem um escoamento não misturado e misturado. Esse fato pode influenciar significativamente o desempenho do trocador de calor. 6

7 CORRENTES CRUZADAS: Fluido não misturado: Há dispositivos (aletas) que inibem o movimento do fluxo cruzado na direção do escoamento. CORRENTES CRUZADAS: Fluido misturado: Nesse caso, o fluido pode escoar em todas as direções. 7

8 CASCO TUBO: É o trocador de calor mais comum nas industrias. Simplicidade de operação, construção e manutenção são suas características principais. Essencialmente é composto por um grande tubo externo e um feixe de tubos internos. Podem ser adicionadas defletores para melhorar as características de troca térmica. Passes simples ou múltiplos passes. CASCO TUBO: 8

9 CASCO TUBO: Passes simples CASCO TUBO: Múltiplos passes. 9

10 PLACAS: Os canais são formados por placas paralelas separadas por aletas. Há diversas configurações para esse tipo de TC, sendo que cada um tem uma aplicação mais recomendada. Usualmente são utilizados quando um dos fluidos de troca térmica é gás. PLACAS: 10

11 TUBOS ALETADOS: São constituídos de tubos com aletas. As aletas podem ser internas ou externas. São comumente utilizados em câmaras de secagem de madeira. São chamados de radiadores. COMPACTOS: São aqueles que possuem uma grande área de troca ocupando um pequeno volume. Possuem arranjos densos de tubos aletados ou placas. São tipicamente usados quando um dos fluidos é gás. 11

12 TRANSFERENCIA DE CALOR: Tipicamente, em um trocador de calor ocorre: Troca de calor por convecção na superfície interna e externa da parede sólida, Troca por condução na parede. TRANSFERENCIA DE CALOR: Rad Rad 12

13 CÁLCULO DE UM TROCADOR DE CALOR: Os problemas de projeto, análise e ou desenvolvimento de um trocador de calor para uma finalidade específica podem ser classificados em dois grupos principalmente: problema de projeto e problema de desempenho. A solução de um problema é facilitada pela adoção do método mais adequado a ele. CÁLCULO DE UM TROCADOR DE CALOR: O problema de projeto é o da escolha do tipo apropriado de trocador de calor e o da determinação da área superficial de transferência de calor. Método MLDT (Média Logarítmica das diferenças de Temperatura) Método ε-nut (Números de unidades de Transferência) O uso do método MLDT é facilitado com o conhecimento das temperaturas de alimentação e de saída dos fluidos quente e frio. 13

14 COEF. GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR Este coeficiente se define em termos da resistência térmica total à transferência de calor entre os dois fluidos. As superfícies ficam sujeitas a incrustações de impureza dos fluidos, ferrugem e a outras reações entre os materiais do fluido e das paredes, aumentando assim a resistência à transferência de calor entre os fluidos, influindo assim, neste coeficiente. As aletas, por aumentarem a área superficial diminuem a resistência a transferência convectiva de calor, influindo assim no coeficiente global de transferência de calor. PONTOS COMPLEMENTARES. NÃO DISCUTIDOS EM AULA. QUAIS ASPECTOS PODEM IMPACTAR DIRETAMENTE A EFICIÊNCIA DOS TROCADORES DE CALOR? 14

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