UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO – UFERSA
DEPARTAMENTO DE AGROTECNOLOGIA E CIENCIAS SOCIAIS
ENGENHARIA QUÍMICA
DISCIPLINA: LABORATORIO DE ENGENHARIA QUIMICA II
DOCENTE: SHIRLLE KÁTIA DA SILVA NUNES
PRÁTICA 6
TROCADOR DE CALOR
DISCENTES: Delânnia Maia Nobre
Jorge Luiz Bezerra de Oliveira
Pablo Vinícius Soares da Silva
Raimundo Renato de Melo Neto
Renan Davi Araújo de Oliveira
MOSSORÓ - RN
2013
1. OBJETIVO
Determinar a taxa de transferência de calor e analisar a influência do tipo de
escoamento entre os fluídos que trocam calor entre si.
2. INTRODUÇÃO
Trocador de calor é um dispositivo que visa a transferência de energia térmica de
forma eficiente entre dois fluidos, normalmente separados por uma parede.
Existem vários tipos de trocadores de calor, normalmente são classificados em
função da configuração do escoamento e do tipo de construção (INCROPERA, 2008).
Dentre os principais tipos de trocadores temos o duplo tubo, casco e tubo, placas, dentre
outros.
Trocadores tubulares são normalmente utilizados com fluidos viscosos e quando
se necessita de altas pressões, também são eficientes com fluidos que sejam muito
concentrados e que possam provocar problemas de entupimento nos trocadores de placas
(NETO, 1999).
Quando em operação, as superfícies dos trocadores ficam sujeitos a incrustação,
formação de ferrugem, além de outras reações entre as paredes do trocador e o fluido,
com isso aumentando a resistência a transferência de calor (SONG).
3. METODOLOGIA
Alimenta-se o trocador de calor com os fluidos em escoamento paralelo, controla-
se e medi as vazões dos dois fluidos, mede-se as temperaturas dos dois fluidos nas
extremidades do trocador de calor.
Repete-se o experimento alimentando o trocador de calor com os fluidos em
escoamento contracorrente, medindo novamente as temperaturas dos dois fluidos nas
extremidades do trocador de calor.
A partir das temperaturas obtidas nos procedimentos em escoamento paralelo e
escoamento contracorrente, traçamos a curva T x Comprimento do trocador de calor.
Determina-se a média logarítmica das diferenças de temperatura (MLDT ou ΔTm)
para os dois casos.
Realiza-se o balanço de energia para determinar a taxa de transferência de calor e
o coeficiente global de transferência de calor. Comparando e discutindo os resultados
encontrados.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
1- Dados coletados:
Os dados a seguir foram encontrados na literatura e obtidos experimentalmente.
Tabela 1 –Tabela de dados
Comprimento do tubo 85,7 cm
Diâmetro interno do tubo de vapor 0,98 cm
Massa específica da água = H2O 1 g/ml
Calor específico da água = Cp 4,187 J/g ºK
Tabela 2 –Tabela de grandeza de medidas
Paralelo
T (°C) t (s) V (ml) Q (ml/s)
1 42,50 7,23 96,00 13,28
2 42,00 7,17 93,00 12,97
3 42,00 7,64 98,00 12,83
média 13,03
Contracorrente
T (°C) t (s) V (ml) Q (ml/s)
1 41,00 7,32 97,00 13,25
2 41,00 7,22 93,00 12,88
3 40,50 7,66 99,00 12,92
média 13,017
2- Variação de Temperatura média Logarítmica:
-Fluido em escoamento paralelo:
∆𝑇𝑚.𝑙𝑛 =∆𝑇1 − ∆𝑇2
𝑙𝑛 (∆𝑇1
∆𝑇2)
=34,5 − 22,5
𝑙𝑛 (34,522,5
)= 28,07 °𝐶
Onde,
∆𝑇1 = 𝑇𝑒𝑛𝑡,𝑞 − 𝑇𝑒𝑛𝑡,𝑓 = 63,5 °𝐶 − 29 °𝐶 = 34,5 °𝐶
∆𝑇2 = 𝑇𝑠𝑎𝑖,𝑞 − 𝑇𝑠𝑎𝑖,𝑓 = 63,5 °𝐶 − 41 °𝐶 = 22,5 °𝐶
- Fluido em escoamento contracorrente:
∆𝑇𝑚.𝑙𝑛 =∆𝑇1 − ∆𝑇2
𝑙𝑛 (∆𝑇1
∆𝑇2)
=21,5 − 34
𝑙𝑛 (21,534 )
= 27,27 °𝐶
Onde,
∆𝑇1 = 𝑇𝑒𝑛𝑡,𝑞 − 𝑇𝑠𝑎𝑖,𝑓 = 63,5 °𝐶 − 42°𝐶 = 21,5 °𝐶
∆𝑇2 = 𝑇𝑠𝑎𝑖,𝑞 − 𝑇𝑒𝑛𝑡,𝑓 = 63,5 °𝐶 − 29,5 °𝐶 = 34 °𝐶
3- Área do trocador de calor:
𝐴 = 𝜋. 𝐷. 𝑙 = 𝜋 ∗ 0,98 𝑐𝑚 ∗ 85,7 𝑐𝑚 = 263,85 𝑐𝑚²
4- Taxa de calor trocado:
Considerações para o balanço de energia: trocador de calor isolado de sua
vizinhança (troca de calor entre fluidos); variações de energia cinética e potencial
desprezível; cp dos fluidos constantes; coeficiente global de transferência de calor
constante. Onde o fluxo de calor Q é igual ao produto da vazão mássica (g/s), do cp (valor
tabelado) e do ΔT (diferença de temperatura).
�̇� = �̇�. 𝐶𝑝. ∆𝑇
Onde a vazão mássica é calculada pelo produto da massa específica (g/ml) vezes a
vazão volumétrica (ml/s). Como as vazões são aproximadas temos que:
�̇� = 𝑄. 𝜌 = 13,03𝑚𝑙
𝑠𝑥1
𝑔
𝑚𝑙= 13,03
𝑔
𝑠
-Fluido em escoamento paralelo:
�̇� = 13,03𝑔
𝑠𝑥4,187
𝐽
𝑔. 𝐾𝑥12𝐾 = 654,68
𝐽
𝑠
∆𝑇 = 𝑇𝑠𝑎𝑖,𝑓 − 𝑇𝑒𝑛𝑡,𝑓 = 41°𝐶 − 29°𝐶 = 12°𝐶
- Fluido em escoamento contracorrente:
�̇� = 13,03𝑔
𝑠𝑥4,187
𝐽
𝑔. 𝐾𝑥12,5𝐾 = 681,86
𝐽
𝑠
∆𝑇 = 𝑇𝑠𝑎𝑖,𝑓 − 𝑇𝑒𝑛𝑡,𝑓 = 42°𝐶 − 29,5°𝐶 = 12,5°𝐶
5- Coeficiente Global de troca de calor
𝑄 = 𝑈. 𝐴. ∆𝑇𝑚.𝑙𝑛
-Fluido em escoamento paralelo:
𝑈 =𝑄
𝐴𝑥∆𝑇𝑚.𝑙𝑛=
654,68𝑤
263,85 𝑐𝑚²1𝑚²
104𝑐𝑚²𝑥28,07 𝑘
= 883,95𝑤
𝑚². 𝑘
- Fluido em escoamento contracorrente:
𝑈 =𝑄
𝐴𝑥∆𝑇𝑚.𝑙𝑛=
681,86𝑤
263,85 𝑐𝑚²1𝑚²
104𝑐𝑚²𝑥27,27 𝑘
= 947,66𝑤
𝑚². 𝑘
6- Comparação dos trocadores de calor
Figura 1 - Correntes paralelas e correntes opostas
Figura 2- Gráfico da temperatura vs. comprimento das correntes paralela e opostas
Segundo Incropera (2008), em trocadores de calor mais simples, os fluidos
quentes e frios movem-se no mesmo sentido ou em sentidos opostos, em uma construção
de tubos concêntricos, também chamada de bitubular. Na configuração paralela, os
fluidos entram pela mesma extremidade, escoam no mesmo sentido e deixam o
equipamento na mesma extremidade. Já na configuração contracorrente, os fluidos
entram no equipamento, escoam e deixam o trocador de calor em extremidades opostas.
As figuras 1 e 2 ilustram um exemplo de trocador de calor de corrente paralela e de
contracorrente.
As temperaturas dos fluidos em um trocador de calor, geralmente não são
constantes, mas variam de ponto a ponto a medida que o calor é transferido do fluido mais
quente para o mais frio. Mesmo em casos em que a resistência térmica é constante, a
quantidade de calor transmitida por unidade de tempo varia ao longo do caminho do
escoamento, pois o seu valor depende diretamente da quantidade da diferença de
temperatura entre os fluidos a cada seção (KREITH, 1977).
Kreith (1977) afirma que, independente do comprimento do trocador de calor, a
temperatura final do fluido mais frio nunca alcança a temperatura de saída do fluido mais
quente, no caso de correntes paralelas. Mas, no caso de correntes opostas, a temperatura
final do fluido mais frio pode exceder a temperatura final do fluido mais quente, visto que
existe um gradiente de temperatura favorável ao longo de todo o trocador (figura 2).
5. CONCLUSÃO
Nos resultados obtidos foi constatado que o coeficiente global de transferência de
calor em contracorrente foi maior, de acordo com o experimento proposto, com relação
às temperaturas de saída dos fluidos e com as temperaturas de entrada dos dois sistemas
independentes, demonstrando que o sistema contracorrente é mais eficiente. Podemos
concluir, também, que o escoamento em contracorrente é mais eficiente, pois a
temperatura final do fluido frio se aproxima mais do valor da temperatura inicial do fluido
quente.
6. REFERENCIAS
FOX, R. W.; McDONALD, A. T.; PRITCHARD, P. J. Introdução à mecânica dos fluidos.
7. ed. São Paulo: LTC, 2011.
INCROPERA, F. P.; DEWITT, D. P. Fundamentos de transferência de calor e massa. 4a
edição Rio de Janeiro: Ltc, 1998.
INCROPERA, F. P.; Dewitt, D. P. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa.
6 ed., LTC: Rio de Janeiro, 2008.
KREITH, F e BOHN, M. S. Princípios da transmissão de calor. Editora: Edgard Blücher.
São Paulo, 1977.
NETO, R. da SC; FARIA, J. de AF. Fatores que influem na qualidade do suco de
laranja. Ciência e Tecnologia de Alimentos, v. 19, n. 1, 1999.
SONG, Tah Wun. Condições de Processo num Trocador de Calor. EPUSP-E.E. Mauá