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Trocador de Calor (O que são? São equipamentos de vários tipos e…

- - - - PROCESSOS/OPERAÇÕES: Aquecer, resfriar, condensar, evaporar, ferver, esterilizar, pasteurizar, congelar, fracionar, destilar, concentrar, cristalizar, fundir, secar.
        As incontáveis aplicações e os inúmeros processos e aplicações levam à necessidade de classificar os trocadores de calor.
        
        CLASSIFICAÇÃO DE TROCADORES DE CALOR:
        Quanto ao processo de transferência
        
        De acordo como a forma que o calor é trocado que pode ser na forma direta ou indireta
        
        Quanto ao contato entre as correntes
        
        ●Contato direto: Ocorre a transferência de massa além da transferência de calor, aplicações que envolvem só transferência de calor são raras.
        ●Contato indireto: Em um trocador de contato indireto, os fluidos permanecem separados e o calor é transferido continuamente através de uma parede, pela qual se realiza a transferência de calor.
        
        CONTATO DIRETO:
        
        • Neste trocador, os dois fluidos se misturam.
        • Aplicações comuns de um trocador de contato direto envolvem transferência de massa além de transferência de calor
        • Comparado a recuperadores de contato indireto e regeneradores, são alcançadas taxas de transferência de calor muito altas.
        • Sua construção é relativamente barata.
        
        CONTATO INDIRETO:
        
        Tipo de trocadores de transferência indireta
        • Neste tipo, há um fluxo contínuo de calor do fluido quente ao frio através de uma parede que os separa.
        • Não há mistura entre eles, pois cada corrente permanece em passagens separados.
        • Este trocador é designado como um trocador de calor de recuperação, ou simplesmente como um Recuperador.
        
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- - - - Considerando que a resistência térmica a convecção na parede dos tubos de um trocador é desprezível (tubos de parede fina e de metal). O coeficiente global de transferência de calor em um trocador ( Uc ) é definido assim:
        
        Assim a expressão para a transferência de calor em um trocador é dada na forma:
        
        A transferência de calor em um trocador de calor é um fenômeno complexo pois não temos mais informações sobre o fluxo de calor na parede ou sobre a temperatura superficial. As variações de temperatura de cada fluido ao longo do trocador, em função da direção com que as correntes seguem. As direções relativas do escoamento são especificadas:
        Trocadores de calor em contracorrente
        • Os fluidos quente e frio entram em extremidades opostas do trocador de calor e fluem em direções opostas
        
        Trocadores de calor de correntes paralelas
        • Os fluidos quente e frio entram na mesma extremidade do trocador de calor, fluem na mesma direção e deixam juntos a outra extremidade.
        
        Trocadores de calor de correntes cruzadas
        • Os fluidos, em geral, fluem perpendicularmente um ao outro.
        • Na disposição em correntes cruzadas, o escoamento pode ser misturado ou não misturado
        
        O projeto de trocadores de calor usualmente começa com a determinação da área de troca de calor necessária para acomodar uma determinada condição térmica de uma ou das duas correntes, que entram no trocador a determinadas temperaturas e vazões e precisam sair em determinadas temperaturas, por exemplo, especificadas em algum ponto da linha de produção.
        
        Neste exemplo temos um volume externo, da carcaça, que abriga inúmeros tubos que podem fazer vários passes. Na situação mostrada, temos que o fluido que escoa pelos tubos passa por dois passes enquanto que o fluido na carcaça segue um único passe. Observe ainda a presença dos defletores internos, que tornam o escoamento do fluido na carcaça mais envolvente com os tubos
        
        Distribuição de temperatura nos trocadores de calor
- - - - Análise do Trocador de Calor:
        Uso da Média Logarítmica da Diferença de Temperatura-
        Para projetar ou prever o desempenho de um trocador de calor,é essencial relacionar a taxa de transferência de calor a grandezas tais como a diferença de temperatura de entrada e saída, o coeficiente global de transferência de calor e a área total da superfície de troca de calor.
        A taxa total de transferência de calor entre os fluidos quentes e frio é dado por q que é função das diferenças de entalpia de entrada e saída
        
        Considerando que os fluidos não sofrem mudança de fase e calores
        específicos constantes, tem-se
        
        A diferença de temperatura representa a diferença de temperatura entre as entradas e a saída do trocador, entretanto o gradiente de transferência de calor é dado pela diferença de calor em cada ponto do trocador.
        Sendo assim estabelece uma diferença de temperatura média para representar o gradiente de temperatura na equação de taxa de transferência de calor com o coeficiente global de Transferência de calor
        
        Trocadores de calor com correntes Paralelas
        A distribuição de temperatura entre o fluido quente e frio para o trocador
        de calor de correntes paralelas é
        
        Considerando as seguintes condições para os balanços de energia:
        ●Trocador de calor isolado da vizinhança
        ●As condições axial ao longo dos tubos é desprezível
        ●As variações de energia cinética e potencial são desprezíveis
        ●O calor específicos dos fluidos são constantes
        ●O coeficiente de Transferência de calor global é constante
        Realizando o balanço de energia de forma diferença em um trocador
        
        Em que Ch e Cc são as tax
        as de capacidade térmica dos fluidos frios quentes e frios. Tendo que o gradiente de temperatura é dado pela diferença de temperatura local
        
        Substituindo, as taxas de transferência de calor
        
        Sabendo que a taxa de transferência calor é dado também pelo coeficiente de transferência de calor, e realizando a integração
        
        Substituindo os valores da capacidade térmica dos fluidos Ch e Cc
        
        Sendo assim, estabelece-se que a taxa de transferência de calor é dado por:
        
        O termo a direita representa a média logarítmica
        
        Trocadores de Calor com Correntes Cruzadas e Passes Múltiplos
        As condições de escoamento são muito complicadas em trocadores de calor de passes múltiplos e correntes cruzadas, entretanto ainda as equações de média logarítmica podem ser utilizadas com um fator de correção
        
        A forma apropriada da média logarítmica é obtida pela aplicação de um fator de correção que multiplica a média logarítmica das condições de correntes contrárias
        Expressões algébricas para o fator de correção F foram desenvolvidos para várias configurações de trocadores de calor casco e tubo e correntes cruzadas e os resultados são representados nas figuras