TROCADORES DE CALOR

Como seu nome o indica, um trocador de calor é um equipamento que facilita a transferência de calor entre dois o mais fluidos que apresentem gradientes térmicos entre sim. É empregado em diversas aplicações e processos industriais, em múltiplas áreas da indústria.

Dada sua versatilidade e amplo campo de ação, encontra-se, na literatura especializada, inúmeros tipos de trocadores de calor que utilizam combinações diversas de processos de transferência de calor para atingir seu objetivo. Em trocadores de calor do tipo casco tubo e radiadores de automóveis, a transferência de calor se processa principalmente por condução e convecção, de um fluido quente para um fluido frio, os quais são separados por uma parede metálica. Já nas caldeiras e nos condensadores, a transferência de calor por ebulição e por condensação é de primordial importância. Em outros tipos de trocadores de calor, a troca de calor envolve mudança de fase (total ou parcial) de um ou mais fluidos. No caso específico das torres de resfriamento, o fluido quente (por exemplo, a água) é resfriado por mistura direta com o fluido frio (por exemplo, o ar), ou seja, água nebulizada cai em contrafluxo com uma corrente induzida de ar, sendo resfriada por convecção e vaporização. Já os radiadores para aplicações espaciais envolvem a troca de calor por radiação, onde o calor residual

do fluido refrigerante é transportado por convecção e condução para a superfície de uma aleta e desta forma, por radiação térmica, para o espaço (vácuo).

Devido a suas amplas diversidades, Fraas e Özisik (1965), Kakaç et al. (1981) e Kakaç e Liu (2002) classificaram os trocadores de calor, de acordo com suas geometrias, tipos, configurações e disposições dos escoamentos. Os trocadores de calor podem classificar-se como:

• Recuperadores / regeneradores: Os trocadores recuperadores

de calor são aqueles em que o fluido de um dos fluxos retira (recupera) o calor disponível no outro, a qual provavelmente seria jogada para a atmosfera. Já os trocadores de regeneração utilizam uma estrutura de armazenamento da energia e uma mesma passagem de fluxo, a qual é alternadamente ocupada pelo fluido quente e frio: o fluido quente aquece a estrutura que armazena o calor e, em seguida, o fluido frio absorve este calor, resfriando a estrutura.

• Trocadores por contato direto e indireto: Nos trocadores de calor de contato direto, a transferência de calor ocorre entre dois fluidos imiscíveis, como um gás e um líquido, que entram em contato direto. As torres de resfriamento são um bom exemplo destes trocadores. Nos trocadores de calor de contato indireto, também conhecidos como trocadores de superfícies, como os radiadores de automóveis, o fluido quente e frio estão separados por uma superfície impermeável, não havendo mistura dos dois fluidos.

• Mecanismos de transferência de calor (fase única e de duas fases): Os trocadores também podem ser classificados de acordo com o

mecanismo de transferência de calor. Nos trocadores de fase única, calor sensível é trocado entre os fluidos de trabalho não havendo mudança de fase. Já nos trocadores com mudança de fase, existe evaporação ou condensação (total ou Parcial) de pelo menos um dos fluidos.

• Geometria de construção (tubos, placas e superfícies estendidas): De acordo com a sua geometria, os trocadores são

classificados como: tubulares (quando um dos fluidos é transportado por tubos), por placas (quando placas, normalmente planas, separam os escoamentos dos fluxos que estão trocando calor) e de superfícies estendidas (placas ou tubos aletados).

• Regime de fluxo (paralelo, contracorrente e de fluxos

cruzados): Trocadores de calor podem ser classificados segundo a

disposição dos escoamentos. Nos trocadores de fluxo paralelo, os fluidos quente e frio entram na mesma extremidade do trocador de calor e fluem na mesma direção, deixando o trocador na outra extremidade. Para os trocadores com fluxos em contracorrente, os fluidos entram em extremidades opostas e fluem em direções opostas. Em trocadores com fluxos cruzados, os dois fluidos fluem perpendicularmente um ao outro.

• Compacidade: Compacidade é um conceito bastante arbitrário, sendo normalmente definida como a razão entre área de superfície de transferência de calor e o volume do equipamento. Um trocador de calor com densidade de área superficial (considerando um dos fluxos) maior do que cerca de 700 m2/m3, é classificado como um trocador calor compacto, independentemente de seu projeto estrutural. Shah e Sekuli´c (1998) classificam como trocadores de calor compactos aqueles que apresentam 700 m2/m3 para trocas de calor entre gás e liquido e 400 m2/m3 para trocas de calor entre líquido e líquido.

Segundo Shah (1991), um radiador de automóvel da década de 1990, com 790 aletas/m, tem uma densidade de área de superfície da ordem de 1870 m2_/m3 _{no lado do ar. Esta mesma razão pode ser} encontrada em um tubo de 1,8 mm de diâmetro. Os pulmões humanos são um dos mais compactos trocadores de calor e de massa, tendo uma densidade de área de superfície de cerca de 17.500 m2/m3, razão equivalente a de um tubo de 0,19 mm de diâmetro. Por outro lado, os trocadores do tipo tubular plano e os do tipo casco-tubo têm densidade da área superficial na faixa de 70 a 500 m2/m3, não sendo considerados compactos. Na figura 8 são apresentados os tipos de radiadores, exemplificando os mecanismos e critérios de classificação, segundo Hewitt et al. (1994).

Então, de acordo como os conceitos anteriormente expostos, podemos classificar o radiador do presente trabalho como um trocador de calor do tipo recuperador, de contato indireto, de fase única, com superfícies estendidas, de fluxo cruzado e do tipo compacto.

Figura 8 – Critérios de classificação para os trocadores de calor.

Fonte: Hewitt et al. (1994)

2.4 RADIADOR AUTOMOTIVO (TROCADOR COMPACTO)