Aula_02_16 1

Prévia do material em texto

Prof. Severino Rodrigues 
de Farias Neto
Unidade Acadêmica de 
Engenharia Química
Operações Unitárias II
Trocadores de calor
01/07/2016
Trocadores de Calor
2Prof. Severino R. de Farias Neto
• Duplo-Tubo
Trocadores de Calor
3Prof. Severino R. de Farias Neto
Características gerais:
• Consiste de um tubo montado internamente e
concêntrico a um tubo de maior diâmetro. Acoplamentos
hidráulicos (flanges etc. ) servem para guiar os fluidos
para o diâmetro. Acoplamentos hidráulicos (flanges etc.)
servem para guiar os fluidos para o interior do trocador e
de uma seção para outra.
Trocadores de Calor
4Prof. Severino R. de Farias Neto
Características gerais: 
• O tubo interno geralmente possui aletas longitudinais
soldadas internamente ou externamente para aumentar a
área de troca térmica para o fluido de menor capacidade
de troca de calor.
• Em alguns casos há um feixe tubular interno ao invés de
um tubo.
Trocadores de Calor
5Prof. Severino R. de Farias Neto
Características gerais: 
• Usado na maioria das vezes para transferência de calor
sensível (aquecimento ou resfriamento) em situações
onde áreas de troca pequenas (até 50 m2) são
necessárias. Condensação e ebulição em pequenas
quantidades também podem ser acomodadas.
• Alguns modelos são “itens de catálogo”.
Trocadores de Calor
Prof. Severino R. de Farias Neto 6
Trocadores de Calor
7Prof. Severino R. de Farias Neto
O trocador casco-tubo
Trocadores de Calor
Prof. Severino R. de Farias Neto 8
Trocadores de Calor
Prof. Severino R. de Farias Neto 9
Trocadores de Calor
Prof. Severino R. de Farias Neto 10
Trocadores de Calor
Prof. Severino R. de Farias Neto 11
Trocadores de Calor
Prof. Severino R. de Farias Neto 12
Trocadores de Calor
Prof. Severino R. de Farias Neto 13
Trocadores de Calor
14Prof. Severino R. de Farias Neto
O trocador de calor de placas
Trocadores de Calor
15Prof. Severino R. de Farias Neto
O trocador de calor de placas
Trocadores de Calor
16Prof. Severino R. de Farias Neto
O trocador de calor a placas 
convencional consiste numa 
série de placas corrugadas, 
gaxetadas ou soldadas entre si, 
dependendo dos fluidos e da 
necessidade de abertura do 
equipamento.
Trocadores de Calor
17Prof. Severino R. de Farias Neto
As placas são depois 
comprimidas por uma estrutura 
rígida para criar um arranjo de 
canais de fluxos paralelos.
Um fluído circula pelos canais 
ímpares e o outro pelos pares 
trocando calor.
condensador a placas
Trocadores de Calor
18Prof. Severino R. de Farias Neto
Trocadores de Calor
19Prof. Severino R. de Farias Neto
Trocadores de Calor
20Prof. Severino R. de Farias Neto
Trocador de calor 4.avi
Trocador de calor 4.avi
Trocadores de Calor
21Prof. Severino R. de Farias Neto
• Balanço de energia para sistemas abertos
 c pE Q W H E E     
Energia 
Total
Calor 
transferido
Trabalho 
mecânico 
ou elétrico
Entalpia
Energia 
cinética
Energia 
potencial
Energia Final –
Energia inicial
Energia 
Transferida
Acumulo 
de Energia
Balanço de energia
22Prof. Severino R. de Farias Neto
Na maioria dos equipamentos de troca de calor opera
em estado estacionário;
 c pE Q W H E E     
• Não há acumulo de energia;
• Não há trabalho sendo realizado;
• Os termos referentes a energia cinética e potencial
são desprezíveis quando comparados com outros
termos do balanço de energia.
0
Balanço de energia
23Prof. Severino R. de Farias Neto
Na maioria dos equipamentos de troca de calor opera
em estado estacionário;
0 Q H 
• Não há acumulo de energia;
• Não há trabalho sendo realizado;
• Os termos referentes a energia cinética e potencial
são desprezíveis quando comparados com outros
termos do balanço de energia.
 2 1q h h 
Ou,
Vazão 
mássica da 
corrente
Entalpias por unidade 
de massa da corrente 
nas condições de 
entrada e saída
Balanço de energia
• No trocador de calor pode ocorrer troca de 
calor com o ambiente, entretanto, a quantidade 
é pequena ou reduzida por isolamento térmico, 
podendo-se assim desprezá-la quando 
comparada com a quantidade trocada entre os 
fluidos.
Prof. Severino R. de Farias Neto 24
Assim, pode-se concluir que: 
• o calor cedido por um fluido 
passa a ser igual ao calor 
recebido pelo outro fluido no 
equipamento.
 2 1q q q qq h h 
 f f f2 f1q h h 
Balanço de energia
Prof. Severino R. de Farias Neto 25
Escrevendo
para cada um dos fluidos, 
temos:
 2 1q h h 
• Para o fluido quente:
• Para o fluido frio:
Balanço de energia
Prof. Severino R. de Farias Neto 26
O fluido frio recebe calor do 
fluido quente (qq > 0), 
enquanto o fluido quente 
cede calor (qf < 0)
f qq q 
   f f f q q qs e s eh h h h q    
Não havendo mudança de fase em nenhum dos 
fluidos, apenas calor sensível será trocadocalor sensível
Calor sensível: provoca apenas a variação da
temperatura do corpo. A quantidade de calor sensível (Q)
que um corpo de massa m recebe é diretamente
proporcional ao seu aumento de temperatura. Logo, é
possível calcular a quantidade de calor sensível usando a
seguinte fórmula:
Q = m.c.T 
Balanço de energia
Prof. Severino R. de Farias Neto 27
Sabe-se que:
pC
c
m

Logo,
   f f 2 1 q q 2 1p pc t t c T T   
Capacidade 
térmica
Massa
Se houver envolvimento de calor latentecalor latente
Calor latente: provoca algum tipo de alteração na
estrutura física do corpo. É a quantidade de calor que a
substância troca por grama de massa durante a mudança
de estado físico. É representado pela letra l. É medido
em caloria por grama (cal/g) e pode ser determinado por:
Q = m.l
Balanço de energia
Prof. Severino R. de Farias Neto 28
Assim,
 f f 2 1 qpc t t  l 
Obs: No caso do vapor entrar superaquecido e sair
como líquido com temperatura abaixo da saturação,
os termos referentes ao resfriamento do vapor até a
saturação e o resfriamento do líquido, da saturação
até a temperatura de saída, deverão ser adicionados
ao calor latente.
Calor latente de 
vaporização
Balanço de energia
Prof. Severino R. de Farias Neto 29
Se T1 for a temperatura de entrada de vapor 
superaquecido Ts a temperatura de saturação na 
pressão de operação e T2 a temperatura de 
saída do líquido resfriado, então pode-se 
escrever: 
     f f 2 1 q 1 2p pv s pq sc t t c T T c T T  l       
Calor específico 
do líquido
Calor específico 
do vapor 
superaquecido
Calor latente de 
vaporização na 
tempertarura Ts
Prof. Severino R. de Farias Neto 30
Área média logaritma
Prof. Severino R. de Farias Neto 31
Lembrando que:
ln
1
1 1
i i o o
U
r
h A kA h A


 
2
dT dT
q kA k rl
dr dr
 
2e e
i i
r T
r T
dr k l
dT
r q

  
 
2
ln e e i
i
r k l
T T
r q
 
  
 
 
2
2
2
ln e e i
i
l
l
r k l
T T
r q


 
   
 
Área média logaritma
Prof. Severino R. de Farias Neto 32
Sabendo que:
 
2
2
2
ln e e i
i
l
l
r k l
T T
r q


 
  
 
 
2
ln e e i
i
A k l
T T
A q
 
   
 
Ak
q T
L
 
 
2
ln ,e e i e i
i
A k l
T T com L R R
AkA
T
L
 
    
  
Então,
Área média logaritma
Prof. Severino R. de Farias Neto 33
 22
ln ln
e ie e
i i
e i
l R RA Al
AA A A
R R
    
     
   

 
ln
2
ln ln
i
e
e i
i i
e
e
l R R
A
A
A
A A
A
A
A
 
 



 
 



  

Área média logaritma
Prof. Severino R. de Farias Neto 34
 
ln
2
ln
e i
e
i
l R R
A
A
A
 

 
 
 
 
2
ln
e i
e
i
k l
q T T
A
A

 
 
 
 
Combinando estas equações:
Chega-se a:
 
 
 
ln
ln
,
e i
e i k
e i k
T TkA r
q T T com R
R R R kA
 
   
