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.

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

     2.1 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:


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:

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);

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

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.