Trocadores de Calor
Trocadores de calor são dispositivos usados para transferir energia térmica de um fluido para outro sem misturar os dois fluidos. Os fluidos geralmente são separados por uma parede sólida (com alta condutividade térmica ) para impedir a mistura ou podem estar em contato direto.
O exemplo clássico de um trocador de calor é encontrado em um motor de combustão interna, no qual o líquido de arrefecimento do motor flui através das bobinas do radiador e o ar passa pelas bobinas, que esfria o refrigerante e aquece o ar que entra. Na engenharia de energia, as aplicações comuns dos trocadores de calor incluem geradores de vapor , ventiladores, trocadores de calor com água de resfriamento e condensadores . Por exemplo, o gerador de vapor é usado para converter a água de alimentação em vapor do calor produzido no núcleo de um reator nuclear . O vapor produzido aciona a turbina.
A transferência de calor em um trocador de calor geralmente envolve convecção em cada fluido e condução térmica através da parede que separa os dois fluidos. Na análise de permutadores de calor, muitas vezes é conveniente trabalhar com um coeficiente de transferência total de calor , conhecido como um factor-L . O fator U é definido por uma expressão análoga à lei do resfriamento de Newton .
Além disso, os engenheiros também usam a diferença de temperatura média logarítmica ( LMTD ) para determinar a força motriz da temperatura na transferência de calor nos trocadores de calor.
Referência especial: John R. Thome, livro de dados de engenharia III. Wolverine Tube Inc. 2004.
Tipos de trocadores de calor – Classificação de trocadores de calor
Os trocadores de calor são normalmente classificados de acordo com a disposição do fluxo e o tipo de construção. O trocador de calor mais simples é aquele para o qual os fluidos quente e frio se movem na mesma direção ou em direções opostas. Este trocador de calor consiste em dois tubos concêntricos de diâmetros diferentes.
- disposição de fluxo paralelo . Na disposição de fluxo paralelo, os fluidos quente e frio entram na mesma extremidade, fluem na mesma direção e saem na mesma extremidade.
- arranjo de contra-fluxo . No arranjo de contra-fluxo, os fluidos entram em extremos opostos, fluem em direções opostas e saem em extremos opostos.
A figura representa as direções do fluxo de fluido nos trocadores paralelos e contra-fluxo. Sob condições comparáveis, mais calor é transferido em um arranjo de contra-fluxo do que em um trocador de calor de fluxo paralelo. Os perfis de temperatura dos dois trocadores de calor indicam duas grandes desvantagens no projeto de fluxo paralelo.
- A grande diferença de temperatura nas extremidades causa grandes tensões térmicas.
- A temperatura do fluido frio que sai do trocador de calor nunca excede a temperatura mais baixa do fluido quente.
O design de um trocador de calor de fluxo paralelo é vantajoso quando é necessário levar dois fluidos quase à mesma temperatura.
- Trocadores de calor com tubo duplo. Os trocadores de calor com tubo duplo são baratos tanto para o projeto quanto para a manutenção, tornando-os uma boa opção para pequenas indústrias. Nestes trocadores, um fluido flui para dentro do tubo e o outro flui para o exterior. Embora sejam simples e baratas, sua baixa eficiência, aliada ao alto espaço ocupado em grandes escalas, levou as indústrias modernas a usar trocadores de calor mais eficientes, como cascas e tubos.
- Permutadores de calor de conchas e tubos.Os trocadores de calor de casco e tubo em suas várias modificações de construção são provavelmente a configuração básica de trocador de calor mais difundida e comumente usada na indústria. Os trocadores de calor de casco e tubo são classificados ainda de acordo com o número de passes de casco e tubo envolvidos. Os trocadores de calor de cascas e tubos são normalmente usados para aplicações de alta pressão (com pressões maiores que 30 bar e temperaturas maiores que 260 ° C). Isso ocorre porque os trocadores de calor de casco e tubo podem suportar altas pressões devido à sua forma. Nesse tipo de trocador de calor, vários tubos de pequeno diâmetro são montados entre duas placas de tubo e o fluido primário flui através desses tubos. O feixe de tubos é colocado dentro de uma concha e o fluido secundário flui através da concha e sobre a superfície dos tubos. Na engenharia nuclear,água de alimentação para vapor a partir do calor produzido no núcleo de um reator nuclear . Para aumentar a quantidade de calor transferido e a energia gerada, a superfície de troca de calor deve ser maximizada. Isso é obtido usando tubos . Cada gerador de vapor pode conter entre 3.000 e 16.000 tubos, cada um com aproximadamente 19 mm de diâmetro.
- Trocadores de calor a placas. Um trocador de calor de placas é um tipo de trocador de calor que usa placas de metal para transferir calor entre dois fluidos. Esse arranjo é popular entre os trocadores de calor que utilizam ar ou gás, bem como o fluxo de fluido de menor velocidade. O exemplo clássico de um trocador de calor é encontrado em um motor de combustão interna no qual o líquido de arrefecimento do motor flui através das bobinas do radiador e o ar passa pelas bobinas, que esfria o refrigerante e aquece o ar que entra. Quando comparado aos trocadores de casco e tubo, o arranjo de placas empilhadas normalmente apresenta menor volume e custo. Outra diferença entre os dois é que os trocadores de placas normalmente servem fluidos de baixa a média pressão, em comparação com as pressões média e alta da carcaça e do tubo.
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