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