Os trocadores de calor são dispositivos amplamente empregados em ambientes domésticos, como em geladeiras, unidades de ar-condicionado e sistemas de aquecimento de água. Na esfera industrial, são essenciais em sistemas de aquecimento, como caldeiras, assim como em sistemas de refrigeração de espaços de todos os tamanhos. Em termoelétricas, desempenham um papel crucial na geração de energia, enquanto em processos industriais, como na indústria química, são utilizados em sistemas de recuperação de calor para reduzir o consumo energético. Esses são apenas alguns exemplos das inúmeras aplicações dos trocadores de calor.

Os trocadores de calor são dispositivos amplamente empregados em ambientes domésticos, como em geladeiras, unidades de ar-condicionado e sistemas de aquecimento de água. Na esfera industrial, são essenciais em sistemas de aquecimento, como caldeiras, assim como em sistemas de refrigeração de espaços de todos os tamanhos. Em termoelétricas, desempenham um papel crucial na geração de energia, enquanto em processos industriais, como na indústria química, são utilizados em sistemas de recuperação de calor para reduzir o consumo energético. Esses são apenas alguns exemplos das inúmeras aplicações dos trocadores de calor.

Por definição:

“A transferência de calor em trocadores acontece por meio de dois mecanismos: pela convecção em cada fluido e pela condução na parede que os separa. A área de troca térmica é um aspecto chave neste fenômeno, de modo que conhecer a configuração estrutural dos trocadores de calor é fundamental para uma análise do seu funcionamento e desempenho.”
Fonte: Yoshi, H.; Orgeda, R. Fenômenos de Transporte. Maringá-PR: Unicesumar, 2020, p.300.

Baseado nos conceitos e fundamentos de um equipamento de troca térmica, você foi o engenheiro que ficou encarregado por realizar um estudo de diferentes tipos de trocadores de calor, bem como dos parâmetros operacionais que interferem na transferência de calor em cada um deles. Para te auxiliar nessa tarefa, você deverá utilizar o simulador de trocadores de calor do laboratório virtual da ALGETEC disponível na área do aluno do Studeo para colocar a mão na massa e tirar as suas conclusões, as quais devem estar fundamentadas no conteúdo visto ao longo da disciplina. Abaixo estão representadas algumas telas que vocês irão encontrar no laboratório virtual.

PARTE 1
Sabendo que você tem disponível para escolha 3 trocadores de calor (de placas, de tubos concêntricos e o de casco-tubo), você deverá realizar o estudo de cada um deles para que você possa entender um pouco mais sobre eles e utilizar uma análise crítica ao longo do seu processo de escolha. Para te auxiliar nessa tarefa, em um primeiro momento:

Diferencie esses trocadores de calor, destacando as principais vantagens de cada um, bem como as principais aplicações industriais de cada um deles. Para te auxiliar, você pode recorrer ao material didático e ao roteiro técnico da prática de trocadores de calor do laboratório virtual da ALGETEC.

Se, em um determinado processo, um trocador de calor de tubos concêntricos em que o tubo interno tenha um diâmetro de ½ in, e a água esteja escoando nele a uma vazão de 15 L/min, qual seria o número de Reynolds do escoamento? Fundamente a sua resposta.

Em um determinado processo, qual seria o impacto de um aumento ou diminuição da vazão no regime de escoamento (número de Reynolds) de um determinado trocador de calor? Para aumentar a eficiência de troca térmica, seria melhor um maior ou menor número de Reynolds? Fundamente a sua resposta tendo como base o coeficiente global de troca térmica e as equações do calor sensível, calor de condução, calor de convecção e do número de Reynolds.

A operação de um trocador de calor pode ser caracterizada quanto a direção do fluxo de escoamento dos fluidos de troca térmica. Nesse contexto, a operação pode ser dita com fluxo paralelo ou contracorrente. Qual a diferença entre esses dois tipos de fluxo quanto à quantidade de calor trocado e à média logarítmica das temperaturas do trocador de calor? Qual dos dois tipos de fluxo é recomendado para aumentar a eficiência do processo de transferência de calor? Fundamente a sua resposta.

PARTE 2
Agora que você já sabe um pouquinho de cada trocador de calor, vamos supor que você optou por escolher um trocador de calor de tubos concêntricos, também conhecido como trocador de calor de tubo duplo. Para o trocador de calor de tubo duplo:

Utilize o simulador e avalie a influência da vazão e do tipo de trocador na transferência de calor e na eficiência do trocador de calor. Ao final dos experimentos, monte uma tabela com os dados coletados e faça os cálculos necessários para preencher a Tabela 01.


Tabela 01: Dados coletados durante a execução dos experimentos

PARTE 3
Agora que você já sabe um pouquinho de cada trocador de calor, bem como a influência do tipo e da vazão na eficiência de troca térmica, com base nos dados coletados e sumarizados na Tabela 01, analise os dados e faça uma análise crítica dos experimentos realizados. A partir da análise realizada, responda os seguintes questionamentos:

A partir dos experimentos realizados e dos dados coletados na Tabela 01, qual a influência da vazão na eficiência do trocador de calor? Fundamente a sua resposta.

Baseado nas informações levantadas nas partes 1, 2 e 3, quais seriam os critérios que devem ser levados em consideração ao escolher um tipo de trocador de calor? Utilize a equação de projeto do trocador de calor e a equação do coeficiente global de troca térmica para fundamentar a sua resposta.

ANEXO – Direcionamento para realizar a PARTE 2