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?
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
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:
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.
Aplicando as fórmulas, temos:
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:
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:
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:
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:
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:
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.