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Especialista em trocador de calor
Como projetar um trocador de calor?

Como projetar um trocador de calor?

Feitos sob medida por nossos engenheiros, o cálculo de um trocador de calor é um processo complexo que exige uma grande quantidade de dados e muitas equações. Você está pronto para um curso intensivo em termodinâmica?

Como projetar um trocador de calor?
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Como projetar um trocador de calor?

Para dimensionar um trocador de calor, primeiramente devemos considerar alguns fenômenos térmicos:

  • Convecção forçada: convecção térmica é a transferência de calor que ocorre pela movimentação relativa entre dois elementos a diferentes temperaturas, como por exemplo, de um fluido sobre uma superfície. No caso de trocadores de calor, intitula-se convecção forçada, uma vez que a movimentação do fluido é causada por uma força externa (bombas, turbinas, ventiladores, etc.).
  • Condução: esta é a transferência de calor causada naturalmente pela diferença de temperaturas entre regiões de um mesmo meio, ou seja, através de uma parede, placa ou tubo. Este fenómeno é baseado no princípio de agitação térmica entre moléculas em contato direto.
  • Radiação: esta é a transferência de calor proporcionada por meio de ondas eletromagnéticas. No caso de trocadores de calor, esta transferência é considerada desprezível.

ATENÇÃO
Para maior clareza e simplicidade, escolhemos resumir as informações e métodos de cálculos, utilizando casos elementares. Em um processo real, o projeto de um trocador envolve muitos outros parâmetros e demanda cálculos térmicos mais complexos e elaborados.

O projeto de um trocador de calor consiste principalmente de três etapas:

1. A escolha da tecnologia

A escolha da tecnologia mais apropriada para o determinado trabalho está relacionada a alguns fatores:

  • O processo térmico (temperaturas requeridas, eficiências, etc.)
  • A natureza dos fluidos
  • A aplicação
  • As restrições de instalação e manutenção
Levando em consideração estes fatores, definimos o tipo mais adequado de trocador de calor (a placas, tubular, Platular® etc.), bem como seus materiais de construção. Em alguns casos, a necessidade do uso de materiais específicos determina a escolha do tipo de trocador (por exemplo, a aplicação em água do mar requer emprego de titânio, material que não pode ser aplicado em qualquer tipo de trocador).

2. Projeto térmico

     2.1 Validação

Uma vez feitas as escolhas tecnológicas, prosseguimos com o projeto do trocador de calor, ou seja, a determinação da energia térmica a ser transferida, as dimensões e geometrias do equipamento. Primeiramente é necessário validar os dados do processo térmico pela aplicação das três fórmulas a seguir:
po_formula
Q: energia transferida (kcal/h ou kW)
T: temperatura (°C)m: vazão mássica (kg/h)                                                                       
△t: Tentrada –Tsaída (°C)
Cp: calor específico (kWh/kg.°C)

Exemplo: resfriamento de água à vazão de 10 m³/h.
po_processo_termico
Aplicando as fórmulas, temos:
po_applicacion
X = 73°C
Desta forma, encontramos que a energia transferida é de 65000 kcal/h ou 756 kW.

     2.2 Cálculo da superfície de troca térmica

Primeiro calculamos a diferença de temperatura média logarítmica (DTML) com base nas temperaturas de entradas e saídas do trocador:
po_dtlm
T1f : Temperatura de entrada do fluido frio;
T1q : Temperatura de entrada do fluido quente;
T2f : Temperatura de saída do fluido frio;
T2q : Temperatura de saída do fluido quente.

Com os valores calculados de energia e DTML, calculamos a superfície de troca térmica com a seguinte fórmula:
po_superficie
K: Coeficiente de transferência de calor (kW/m².°C), específico para cada tipo de equipamento, fornecido pelo fabricante;
A: Área de troca térmica (m²).

     2.3 Cálculo do coeficiente K e incrustação

O coeficiente de transferência de calor K de um trocador é calculado pela seguinte fórmula:
po_k_incrustado
h1 e h2: coeficientes de transferência de calor locais, calculados com base nas geometricas locais, número de Reynolds (Re), Prandtl (Pr) e Nusselt (Nu);
x: espessura de parede (m);
k: condutividade térmica da parede (W/m.°C);
Rincrustação: resistência devido à incrustação da parede.

A obtenção do coeficiente de transferência de calor nos permite encontrar a área necessária para troca térmica e, portanto, dimensionarmos o trocador.

3. Cálculo da perda de carga no trocador de calor

Um fluido em movimento sofre perdas de energia devido à fricção nas paredes (perda de carga regular) ou contratempos (perda de carga singular) tais como curvas e chicanas. A perda de energia, expressa em queda de pressão (ΔP), tem de ser compensada para permitir que o fluido continue em movimento.

Quando um trocador de calor é projetado, sua perda de carga pode ser calculada através de diferentes correlações determinadas pelas características da superfície de troca térmica. 

Os passos 2 e 3 são feitos pela interdependência e iterações, como mostrado no diagrama abaixo:

po_schema_calculo_trocador

Eficiência e Eficácia do Trocador de Calor

Não devemos confundir eficiência e eficácia. De fato, considerando que não haja perdas por radiação, a eficácia do trocador de calor é igual a 1. 
A eficiência (rendimento) corresponde à seguinte fórmula:
po_rendimiento

Nas condições reais, é impossível obtermos um rendimento de 100%. O rendimento do trocador depende da quantidade de energia a ser transferida e das temperaturas da aplicação do cliente. Em muitos casos, o rendimento é um requisito previamente fixado pelo próprio cliente.

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