ALEXANDRE SILVA DE ARAUJO TROCADORES DE CALOR EFICIÊNCIA E FUNCIONAMENTO Poços de Caldas 2017 ALEXANDRE SILVA DE ARAUJO TROCADORES DE CALOR EFICIÊNCIA E FUNCIONAMENTO TROCADORES DE CALOR EFICIÊNCIA E FUNCIONAMENTO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade Pitágoras, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Mecânica. Orientador: Ana Oliveira Poços de Caldas 2017 ALEXANDRE SILVA DE ARAUJO TROCADORES DE CALOR EFICIÊNCIA E FUNCIONAMENTO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade Pitágoras, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Mecânica. BANCA EXAMINADORA Prof(ª). Me. RANYERI ROCHA Prof(ª). Ma. ANANDA TRINDADE Poços de Caldas, 04 Dezembro de 2017 Dedico este trabalho a minha mãe Edilene Silva e meu pai Monclair Araujo que me apoiaram, acreditaram na minha vida acadêmica e me guiaram pelas melhores escolhas. AGRADECIMENTOS A todos os professores, profissionais e familiares puderam contribuir com suas experiências, conhecimentos e conselhos para me motivar em todos os meus estudos, me proporcionando a possibilidade de crescer pessoal e profissionalmente. A tutora Ana Oliveira por toda colaboração e auxilio na elaboração deste trabalho. Aos professores Gustavo Judice e Luciene que além de se disporem a me ajudar e auxiliar no desenvolvimento deste trabalho, se tornaram referência para mim. A minha namorada por todo o apoio dedicado durante toda a realização deste trabalho. ARAUJO, Alexandre. Trocadores de Calor: Eficiência e Funcionamento. 2017. 41 Páginas. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) – Faculdade Pitágoras, Poços de Caldas, 2017. RESUMO Trocadores de calor são equipamentos especialmente desenvolvidos para realizar as trocas de calor de fluidos com o ambiente, ou com outro fluído que esteja em temperatura diferente do fluido que circula pelo sistema. Através de pesquisas e estudos científicos foi possível verificar as tecnologias atribuidas aos dispositivos, pensando exclusivamente em um modo de se obter o máximo de eficiência das trocas térmicas e alcançar um bom desempenho operacional. O trocador de calor possui bom rendimento e consegue atingir níveis excelentes de trocas térmicas ao ser utilizado nas condições indicadas pelos fornecedores, sem sobrecarregar o sistema. O modo como realizam as transferências de calor no sistema podem variar de acordo com o local, custos da implantação do equipamento no projeto, sempre levando em consideração quais as vantagens do equipamento a ser escolhido e suas possíveis limitações. As configurações estruturais dos aparelhos permutadores são bem definidas e específicas para sua atuação, cada uma delas com sua principal finalidade. Palavras-chave: Trocadores; Transferência; Calor; Eficiência; Temperatura ARAUJO, Alexandre. Heat Exchangers: Efficiency and Operation. 2017. 41 Pages. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) – Faculdade Pitágoras, Poços de Caldas, 2017. ABSTRACT Heat exchangers are equipment specially designed to perform heat exchanges of fluids with the environment, or with other fluid that is at a different temperature from the fluid circulating through the system. Through research and scientific studies it was possible to verify the technologies attributed to the devices, thinking exclusively of a way to obtain the maximum efficiency of the thermal exchanges and achieve a good operational performance. The heat exchanger has good performance and achieves excellent levels of heat exchange when used in the conditions indicated by the suppliers, without overloading the system. How they perform heat transfer in the system may vary according to location, costs of deploying the equipment in the project, always taking into consideration the advantages of the equipment to be chosen and its possible limitations. The structural configurations of the heat exchangers are well defined and specific to their operation, each with its main purpose. Key-words: Exchangers; Transfer; Heat; Efficiency; Temperature LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 – Modos de propagação de calor: condução, convecção e irradiação ....... 14 Figura 2 – Comportamento molecular devido a transferência de calor ..................... 15 Figura 3 – Transferência de calor uni-dimensional por condução ............................. 15 Figura 4 – Processo de transferência de calor por (A) Convecção Forçada. (B) Convecção Natural. (C) Ebulição. (D) Condensação............................................. 19 Figura 5 – Camada limite na transferência de calor por convecção ......................... 20 Figura 6 – Transferência por irradiação: (A) em uma superfície, (B) entre uma superfície e o ambiente ao redor ................................................................................... 21 Figura 7 – Superfície de um corpo negro artificial ....................................................... 23 Figura 8 – Perfis de temperatura para permutadores de calor de passagem simples e de dupla ação .............................................................................................................. 25 Figura 9 – Arranjos de fluxos em trocadores de calor ................................................ 26 Figura 10 –Trocadore de calor de casco e tubo .......................................................... 27 Figura 11 –Trocadore de calor de tubulação dupla ..................................................... 28 Figura 12 –Trocadore de calor em espiral ................................................................... 29 Figura 13 –Trocadore de calor de placas e armação.................................................. 30 Figura 14 - Trocador de calor de circuito impresso de fluxo cruzado. ...................... 31 Figura 15 – Configuração dos trocadores de calor compactos .................................. 32 Figura 16 – Regeneradores: (a) rotativo; (b) matriz-fixa; (c) coberturas rotativas..... 33 Figura 17 – Resfriador seco ...................................................................................... ...34 Figura 18 – O desenvolvimento da camada limite para o fluxo sobre uma placa plana e os diferentes regimes de fluxo................................................................................... 36 Figura 19 – Variação da eficiência da transferência de calor ..................................... 40 Figura 20 – Tipos de aletas .......................................................................................... 41 Figura 21 – Eficiência da aleta retangular e quadrada ............................................... 41 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Condutividade Térmica e difusidade para materiais sólidos à temperatura ambiente .................................................................................................... 16 Tabela 2 – Condutividade térmica para gases e líquidos ........................................... 17 Tabela 3 – Alcance representativo do coeficiente de transferência de calor por convecção ....................................................................................................................... 18 Tabela 4 –Valores representativos da emissividade ................................................... 22 Tabela 5 – Vantafens e desvantagens dos trocadores de placas .............................. 30 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS 𝑞" Fluxo Térmico - W/m2 𝑥 𝑘 Condutividade Térmica - W/(m•K) 𝑑𝑇 Variação de Temperatura em uma direção x - K/m 𝑑𝑥 𝑇 Temperatura no ponto ou superfície - K 𝐿 Distância – m 𝑞 Taxa de Transferência de Calor – W 𝑥 𝐴 Área – m2 𝑢 Componentes da Velocidade Mássica Média do Fluido – m/s ℎ Coeficiente de Transfência de Calor por Convecção - W/(m2•K) ℎ Coeficiente Médio de Transfência de Calor por Convecção - W/(m2•K) 𝑥 ℎ Coeficiente Convectivo da Superfície A - W/(m2•K) 𝐴 𝑒 Emissividade da superfície 𝑏 𝜎 Constante de Stefan-Boltzmann: 0,1714 x 10-8 Btu/h ft2; ou; 5,672 x 10-8 W/m2 𝐸 Poder Emissivo da Superfície – W/m2 TEMA Tubular Exchanger Manufactures Association PHE “Plate Heat Exchanger”