Projeto de um protótipo de trocador de calor do tipo casco e tubos

Laira Martinelli
estudante, Universidade Federal do Triângulo Mineiro (UFTM)

Tamara Aimola Ronca Dale Vedove
estudante, Universidade Federal do Triângulo Mineiro (UFTM)

Andrea Borges Vieira Campos
estudante, Universidade Federal do Triângulo Mineiro (UFTM)

Jessica Miranda Rosa
estudante, Universidade Federal do Triângulo Mineiro (UFTM)

Nathalia Silvestrin Barbosa
estudante, Universidade Federal do Triângulo Mineiro (UFTM)

Rafael Caon Oliveira
estudante, Universidade Federal do Triângulo Mineiro (UFTM)

Raul Messias Felix
estudante, Universidade Federal do Triângulo Mineiro (UFTM)

O dispositivo usado para realizar o processo da troca térmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas é conhecido como trocador de calor, na qual há a entrada e saída do fluido frio e do fluido quente. Segundo Almeida (2008) “são equipamentos utilizados para aquecer e resfriar ambientes, no condicionamento de ar, na produção de energia e no processo químico”. O trocador de calor mais frequentemente usado em processos industriais é o tipo casco e tubos. Esses trocadores são amplamente utilizados no aquecimento, resfriamento, evaporação e condensação de fluidos. Trocadores desse tipo têm muitas aplicações nas indústrias de geração de energia, química, farmacêutica e óleo e gás. No presente trabalho é apresentada a metodologia de construção e a teoria utilizada para desenvolver um protótipo de um trocador de calor do tipo casco e tubos em conjunto com uma simulação computacional de uma rede de trocadores de calor. O trocador em questão proporciona uma troca de calor através de escoamento em contracorrente, com a entrada do fluido quente na região interna dos tubos de menor diâmetro e escoamento do fluido frio entre os tubos de cobre e a carcaça. São realizadas medidas de temperatura nas regiões de entrada e de saída, que proporcionam uma estimativa da eficiência alcançada com o protótipo

Introdução
Trocadores de calor são dispositivos em que dois fluidos de diferentes temperaturas trocam calor através de uma superfície metálica, podendo ou não ocorrer mudança de fase dos fluidos, na qual ocorre uma transferência de calor por condução e convecção. Essa troca térmica é empregada para atender às exigências de um dado processo. Na indústria petrolífera, são utilizados para a quebra de emulsões entre o petróleo e água, resfriamento de gases advindos de um processo de compressão, condensação e aquecimento de mistura em uma torre de destilação (SANT’ANNA, 2005).

Os trocadores podem ser classificados pelo tipo de serviço que realizam dentro de um processo cuja referência é o fluido principal (ARAÚJO, 2002). De acordo com as características construtivas do trocador, ele também pode ser classificado como duplo tubo, casco e tubo, tampa flutuante e de tubos em U (ESSEL, SD; REIS, 2002).

A escolha do fluido não possui regras preestabelecidas, uma vez que o permutador está projetado para receber determinados líquidos no tubo e no casco (REIS, 2002).

A eficiência de um trocador está relacionada à higiene dos tubos, pois durante o processo operacional há deposição de diversos tipos de detrito e incrustação, que por sua vez prejudicam as trocas de calor bem como queda na pressão do fluido (REIS, 2002).

O ponto de partida para o projeto térmico de um trocador de calor está exatamente em determinar as condições de processo às quais estará submetido o trocador (ESSEL, SD).

Os trocadores de calor são designados por termos correspondentes às modificações que realizam nas condições de temperatura ou estado físico do fluido de processo. No caso de o equipamento operar com dois fluidos de processo, prevalece, se possível, a designação correspondente ao serviço mais importante (GANGHIS, 2015).

As temperaturas de operação dos fluidos são determinadas pelo projetista no qual se incumbe a responsabilidade da operação (ESSEL, SD). No caso do fluido principal, as condições de vazão e temperaturas de entrada e saída são perfeitamente definidas pelo processo, todavia a condição de operação do fluido refrigerante depende de outros fatores. A exemplo da água, em que a temperatura de entrada depende da disponibilidade, seja proveniente de fontes naturais, seja de torres de resfriamento (ESSEL, SD). Em relação à temperatura de saída, existe o problema de corrosão nos materiais utilizados nos trocadores ou a capacidade de instalação das torres de resfriamento, que não permitem uma temperatura elevada na saída (ESSEL, SD).

Existem diversos tipos e configurações para realizar o arrefecimento de um fluido quente utilizando um trocador de calor. Um dos mais empregados, e que será abordado neste trabalho, é o do tipo casca e tubo, que consiste, resumidamente, de um casco cilíndrico (carcaça) que contém diversos tubos em seu interior. Dentro da carcaça existem também chicanas, além de barras guias. Os tubos internos são responsáveis pela condução do escoamento do fluido quente, e por isso é fundamental que sejam feitos de material com elevada condutividade térmica. As chicanas, por sua vez, têm como função guiar os tubos internos e também provocar um escoamento turbulento dentro da carcaça externa. A troca térmica é realizada através das paredes dos tubos.

O presente trabalho tem por objetivo geral o estudo e o projeto de trocador de calor em série com fluxo contracorrente. Já o objetivo específico é a construção de um protótipo de trocador de calor do tipo casco e tubo que será utilizado no Laboratório da Universidade Federal do Triângulo Mineiro para as práticas da disciplina de Operações Unitárias.

Revisão teórica
Um trocador de calor ou permutador de calor é um dispositivo usado para a transferência de calor eficiente de um meio para outro. Tem a finalidade de transferir calor de um fluido para o outro, encontrando-se esses a temperaturas diferentes. Os meios podem ser separados por uma parede sólida, tanto que eles nunca se misturam, ou podem estar em contato (INCROPERA, 2007).

Esse processo é comum em muitas aplicações da engenharia. Podemos utilizá-los no aquecimento e resfriamento de ambientes, no condicionamento de ar, na produção de energia, na recuperação de calor e no processo químico. Em razão das muitas aplicações importantes, a pesquisa e o desenvolvimento dos trocadores de calor têm uma longa história, mas ainda hoje busca-se aperfeiçoar o projeto e o desempenho de trocadores, baseada na crescente preocupação pela conservação de energia (GANGHIS, 2015).

A criação de microprodutos leva à criação e desenvolvimento de máquinas em microescala. Há trocadores de calor que são utilizados em microcanais, microrreatores, etc. Com esse equipamento em miniatura, os processos se dispõem mais ainda de integração de sistemas, proporcionando benefícios, bons tempos de resposta e altas taxas de transferência de energia (SHAKIR ET AL., 2011).

Existem várias aplicações referentes aos trocadores de calor de microcanais, como arrefecimento de microeletrônicos, processos que envolvem biomedicina, metrologia, robótica, telecomunicações e indústrias automotivas. Para melhor compreender o fluxo de calor através de microcanais, muitos estudos experimentais, analíticos e numéricos foram feitos nas últimas duas décadas (SHAKIR ET AL., 2011,YU E AMEEL 2001).

Tipo de trocador de calor
Trocador de calor é o dispositivo usado para realizar o processo da troca térmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas. Esse processo é comum em muitas aplicações da engenharia química, de alimentos, entre outras. Podemos utilizá-lo no aquecimento e resfriamento de ambientes e alimentos, no condicionamento de ar, na produção de energia, na recuperação de calor e no processo químico em geral. Veja abaixo algumas aplicações de trocadores de calor:
Na indústria de alimentos

O processamento de alimentos in natura requer a transferência de enormes quantidades de energia na forma de calor, portanto, é necessário que um estudo econômico e detalhado desse processo seja efetuado, para que seja evitado o gasto desnecessário de calor (ZAMBELLI, 2011).

A escolha dos meios de aquecimento ou resfriamento requer muito mais do ue o conhecimento do consumo de vapor, da água de resfriamento ou dos gases usados em ciclos fechados. O conhecimento dos tipos de trocadores de calor e do processo específico torna-se indispensável para o balanço econômico, precisando conhecer as mudanças envolvidas, os equipamentos auxiliares da linha (bombas e válvulas, por exemplo) e também a eficiência das operações (ZAMBELLI, 2011).

O processo a ser escolhido deve depender da situação econômica, deve ser preferencialmente um sistema contínuo e evitar algumas condições técnicas: superaquecimento ou super-resfriamento localizado; taxa de transmissão de calor inadequada; pouca ou excessiva agitação do sistema; condições de trabalho variável e pressão muito alta ou muito baixa (ZAMBELLI, 2011).
Em indústrias diversas

A elaboração do açúcar a partir da cana-de-açúcar ou da beterraba é um processo industrial que demanda uma grande quantidade de energia. A otimização do processo depende do bom dimensionamento dos trocadores de calor (BARRIQUAND, 2016).

Nos processos de química verde e biotecnologia, diferentes etapas requerem o uso de trocadores de calor para realizar as operações unitárias de aquecimento, resfriamento, condensação, evaporação e secagem (BARRIQUAND, 2016).

Os trocadores de calor presentes nas lavanderias industriais são escolhidos, dimensionados e fabricados em função dos requisitos de limpeza e da ausência de peças de desgaste (BARRIQUAND, 2016).

Figura 1. Trocador de calor casco e tubos
Figura 2. Escoamento contracorrente

Quando a área da troca térmica é grande, o tipo de trocador recomendado é o de carcaça e tubo. Nesse tipo de resfriador é possível conseguir elevadas áreas de troca térmica, de maneira econômica e prática, montando-se os tubos em feixes; as extremidades dos tubos são fixadas num espelho. O feixe de tubos é colocado numa envoltória cilíndrica (a carcaça), por onde circula o segundo fluido, em volta do feixe e por entre os tubos (INCROPERA, 2007). De acordo com Incropera (2007), há três tipos básicos de trocadores de calor. São eles: coaxial, casco e tubos e os compactos. Falaremos somente a respeito do trocador utilizado neste presente trabalho.

Esse trocador pode ser visualizado na Figura 1.

De acordo com o arranjo de fluxo, os trocadores de calor podem ser classificados de duas maneiras: trocador de calor em fluxo paralelo ou trocador de calor contracorrente. Na configuração de fluxos paralelos, dois fluidos entram no trocador do mesmo lado e fluem em paralelo para o outro lado. Nos trocadores de calor contracorrente, os fluidos entram no trocador de lados opostos. O projeto contracorrente, observado na Figura 2 é mais eficiente. Nele pode-se transferir a maior parte do calor do meio quente (INCROPERA, 2007).

O escoamento paralelo em todos os tubos e a baixa velocidade contribuem para coeficientes baixos de transferência de calor e para pequena queda de pressão. As chicanas são instaladas para aumentar o coeficiente de convecção do fluido no lado do casco.

Nessa configuração temos os fluidos entrando pelas extremidades opostas, consequentemente o escoamento em sentidos opostos.

Método da diferença de temperatura média logarítmica (LMTD)
A taxa de transferência de calor pode também ser escrita em função da diferença de temperatura média logarítmica (DTML ou ΔTML), de acordo com a Equação 1, onde Ft é o fator de correção da temperatura. O método da diferença de temperatura média logarítmica consiste na aplicação da equação generalizada de taxa de transferência de calor em um problema puramente convectivo. Com este equacionamento pode-se estimar a taxa de transferência de calor global do trocador de calor conhecendo-se o coeficiente global de transferência térmica (U), a área representativa de troca térmica (A) e a diferença de temperatura média logarítmica (ΔTML) (SOUZA, 2013).

A temperatura média logarítmica para um trocador de calor com fluxos em contracorrente é dada pela Equação 2.

O uso do DTML é restrito a trocadores com fluxo contracorrente ou paralelo, onde há apenas um passe de fluido pelo casco e um passe de fluido pelos tubos. No caso de outras configurações de trocador, faz-se necessário multiplicar o valor da DTML pelo fator de correção da temperatura (Ft). Esse fator é função das constantes S e R e pode ser obtido graficamente para cada configuração diferente de fluxo no trocador (SOUZA, 2013).

As constantes S e R são definidas pela Equação 3 e pela Equação 4, respectivamente.

Os valores de ΔTML , S e R são obtidos são ao substituir os valores das temperaturas de entrada e saída dos fluidos no equipamento na Equação 2, Equação 3 e Equação 4, respectivamente.

O valor de Ft é determinado substituindo-se os valores de S na Equação 5.

Área de troca térmica
A área de troca (A0) pode ser escrita em função do coeficiente global de troca térmica (U), mostrado na Equação 6.

O coeficiente global de transferência de calor (U) é definido como o coeficiente de película global representativo do trocador de calor. O circuito térmico de um trocador duplo tubo está representado na Figura 3, abaixo.

Na literatura encontram-se valores representativos de U, como pode ser visto na Tabela 1.

Figura 3. Escoamento contracorrente

Ou, matematicamente falando, o coeficiente global de transferência pode ser representado pela Equação 7.

Onde hi é determinado pela Equação 8.

Sendo:

Para o escoamento interno, têm-se a Equação 11.

Pela Equação de Hilpert, pode-se determinar o he pela Equação 12.

Onde D é o diâmetro do tubo. As constantes C e m são dadas em função do número de Reynolds (Re) pela Tabela 2.

Método de Efetividade (NUT)
O método da efetividade NUT (ou método Ɛ – NUT) é utilizado quando somente existem informações de condições de contorno a respeito das temperaturas de entrada no trocador de calor. A abordagem de um problema desse tipo pelo método DTML geraria um cálculo por iterações trabalhosas, por isso a preferência ao uso do método NUT. Para a definição da efetividade de um trocador de calor devemos partir da expressão geral para a transferência de calor máxima que é dada pela Equação 13 (MOREIRA, BEM e BARCELLOS, 2011).

Onde

Sendo equivalente à menor capacidade calorífica entre Cf e Cq. Assim, torna-se lógico definir a efetividade (Ɛ) como a razão entre a taxa de transferência de calor real do trocador de calor e a taxa de transferência de calor máxima possível, que pode ser representada pela Equação 15 (INCROPERA, 2007).

Assim toma-se a efetividade como um adimensional dentro da faixa de 0 < ɛ < 1, sendo a efetividade para qualquer trocador de calor demonstrada como:

Para trocadores de calor, a definição do número de unidades de transferência (NUT) pode ser escrito de acordo com a Equação 17 (INCROPERA, 2007).

Onde
U: pode ser determinado pela Equação 7, e a área (A) pode ser determinada pela Equação 18.

No qual a equação matemática que descreve a relação do NUT pode ser encontrada em tabelas disponibilizadas em literatura específica de transferência de calor. A Equação 19 mostra a relação para o cálculo da efetividade para tocadores de calor do tipo casco e tubos em escoamento contracorrente retirados de uma destas tabelas (INCROPERA, 2007).

Um passe no casco (2, 4, … passes nos tubos)

Onde

n passes no casco (2n, 4n, … passes nos tubos)
Utilizar as Equações 11 e 12 com:

Onde

Assim:

Trocador de calor casco e tubos
O trocador de casco e tubos, também chamado de espelhos fixos, é composto de casco cilíndrico, um conjunto de tubos, colocado paralelamente ao eixo longitudinal do casco (ARAÚJO, 2002). Os tubos são presos, nas extremidades, as placas perfuradas, denominadas espelhos, cada furo corresponde a um tubo do feixe (ARAÚJO, 2002). O feixe tubular, constituído de espelhos, mantém os tubos na posição desejada, os quais estão soldados ao casco, além de servirem como flanges aos quais os carretéis são parafusados (ARAÚJO, 2002). Os tubos que compõem o feixe atravessam várias placas perfuradas, as chicanas, responsáveis pelo direcionamento do fluido que escoa por fora dos tubos, e também para suportar os tubos (ARAÚJO, 2002).

O trocador de casco e tubos é o mais utilizado na indústria de refino de petróleo, uma vez que possui amplas faixas de vazão, temperatura e pressão (ARAÚJO, 2002). Em geral, é o único que pode ser aplicado em processos que necessitam de grandes áreas de troca de calor, acima de 5.000 m², pressões acima de 30 bar e temperaturas superiores a 260°C (ARAÚJO, 2002). Além do mais, pode operar com líquidos, gases ou vapores, como condensador ou vaporizador, em posição horizontal ou vertical, de acordo com as necessidades operacionais a serem determinadas (ARAÚJO, 2002).

Os arranjos dos divisores de passes, de acordo com a Figura 4, conforme o número em que são dispostos no arranjo determina a velocidade do fluido, ou seja, quanto maior o número crescente de passes, tanto no tubo quanto no casco, maior a velocidade de passagem do fluido e troca térmica do mesmo (REIS, 2002).

Quanto à escolha do fluido, o trocador está construído para receber determinados tipos nos tubos e cascos (REIS, 2002). Não há regras específicas que estabeleçam qual tipo de fluido devem passar pelos tubos (REIS, 2002).

Indubitavelmente, a escolha do fluido que passa pelos tubos e casco deve atender às melhores condições de processo, em termos de custo, fácil construção e manutenção (REIS, 2002).

Em termos gerais, pelos tubos passam fluidos mais sujos, nos quais há depósitos de coque, sedimentos, catalisadores (REIS, 2002). Fluidos mais corrosivos requerem tubos mais resistentes à corrosão do que um casco com a mesma propriedade, pois é mais fácil substituir tubos furados do que o casco (REIS, 2002). Fluidos com maior pressão, porque o casco tem menor resistência em razão de o respectivo diâmetro ser maior (REIS, 2002).

Entre fluidos de propriedades semelhantes, devem passar pelos tubos os que possuem maior pressão, temperatura e os mais corrosivos (REIS, 2002).

A deposição e o acúmulo de materiais não desejados, como produtos de corrosão, microrganismos, partículas inorgânicas e macromoléculas, nas superfícies dos equipamentos de transferência de calor causam um aumento da resistência à transferência de calor e reduz, com o passar do tempo, o desempenho térmico e hidráulico desses equipamentos (TONIN, 2003).

O processo de limpeza de um trocador consiste de água em contracorrente, cujo decurso consiste em inverter o fluxo d’água nos tubos, com o equipamento em operação a fim de remover os detritos frouxamente agregados aos tubos (REIS, 2002).

A limpeza por vapor necessita da retirada do trocador em operação. Passa-se vapor pelos tubos, de forma a entrar um respirador e carregar sujeira por um dreno (REIS, 2002). Esse processo mostra-se eficiente na remoção de graxas, depósitos frouxamente agregados nos tubos e casco (REIS, 2002).

A limpeza química faz-se pela circulação de, no lado dos tubos e do casco, uma solução ácida conjuntamente com um inibidor de corrosão (REIS, 2002). O ácido desagrega os resíduos e o inibidor impede o ataque do metal pela solução (REIS, 2002). Após a limpeza, é feita a neutralização mediante uma solução alcalina fraca seguida de uma abundante circulação de água. Nesse tipo de limpeza, o trocador não precisa ser desmontado (REIS, 2002).

A limpeza mecânica requer o desmonte do trocador (REIS, 2002). Para tanto, remove-se a tampa do carretel, a tampa do casco e a tampa flutuante (REIS, 2002). Camadas de lama, graxa e sedimentos frouxos podem ser removidas dos tubos por meio de arames, escovas ou jatos d’água (REIS, 2002). Caso os sedimentos estejam muito agregados aos tubos, a ponto de entupi-los, emprega-se o uso de máquinas perfuratrizes, equipamentos que utilizam um eixo metálico giratório dentro dos tubos a fim de expulsar os detritos (REIS, 2002).

Do ponto de vista termodinâmico, um trocador de calor geralmente opera de forma a ser um volume de controle em regime permanente (sem variação do fluxo de massa), e a transferência de calor ocorre através de um único tubo ou de um conjunto de tubos. Os escoamentos dos fluidos no trocador podem ser monofásicos ou multifásicos. Não existem meios de parar a realização de trabalho em trocadores de calor (trabalho de eixo, trabalho elétrico etc.), e as variações de energia potencial e cinética normalmente são desprezíveis (BORGNAKKE e SONNTAG, 2009).

A transferência de calor, bem como as variações de entalpia dos fluidos, pode ser determinada com a equação 1.6 na maioria dos trocadores de calor. É sempre mais simples escrever a primeira lei para um volume de controle que engloba todo o trocador de calor, incluindo os dois escoamentos, caso em que é normal admitirmos que a transferência de calor para as vizinhanças seja nula ou desprezível (BORGNAKKE e SONNTAG, 2009).

MATERIAL E MÉTODOS
Dimensionamento do trocador

Inicialmente, para a construção do protótipo de trocador de calor, casco e tubos, com configuração contracorrente, foram estabelecidas:

As temperaturas de entrada e saída das duas correntes; Componentes das correntes: água fria e água quente com suas respectivas vazões; A quantidade e o diâmetro dos tubos de cobre; e Diâmetro do casco.

Com esses dados, foi possível calcular o comprimento necessário para a troca térmica. Todos esses valores estabelecidos estão dispostos na coluna denominada Situação A na Tabela 3 e 4. O resultado será expresso para uma situação hipotética e servirá para a construção do protótipo. Após a construção do protótipo foram feitos os testes, e com os valores das vazões e temperaturas das correntes foi refeito o cálculo para comparar com o comprimento hipotético, e assim observar se o protótipo será válido para ser usado como material didático. Os valores do teste também estão dispostos na coluna denominada Situação B da Tabela 3 e 4.

Foram feitas considerações para os cálculos:

Perda de calor para a vizinhança desprezível; Mudança na energia cinética e potencial desprezível; Propriedades constantes; Resistência térmica na parede do tubo e fatores de deposição desprezível; Condições de escoamento plenamente desenvolvidas na água quente e na água fria (U independe de x); e π = 3,14.

Os cálculos hipotéticos foram feitos para a situação de resfriamento.

Ao lado, seguem as propriedades termofísicas utilizadas – Tabela 5.

Após a coleta de todos os valores, foram feitos os cálculos que estão na Tabela 6. Para os cálculos, foram considerados o método do DTML e suas respectivas equações representadas pelas equações da revisão bibliográfica.

Portanto, o valor hipotético do trocador foi de 35 cm, ou seja, foram construídos dois trocadores de calor com 17,5 cm cada e, após o teste, os dados mostram que o comprimento necessário seria de 43 cm, ou dois de 21,5 cm, com um erro de 20%, os valores ficaram próximos. Portanto, os trocadores servem como material didático.

Procedimento de montagem
Começou-se cortando os tubos de cobre com o auxílio de um cegueta, dividindo-os em 16 partes iguais, sendo 8 para cada trocador. O próximo passo foi serrar o tubo de PVC em duas partes de igual tamanho de 17,5 cm, em seguida, foram feitas as chicanas. Para fazê-las, foram usadas tampas de PVC compradas com diâmetro de 150 mm que tiveram que ser cortadas para que se adaptassem ao tubo de PVC de 100 mm – para realizar o corte utilizou-se uma furadeira Dremel; as chicanas foram cortadas com a finalidade de causar maior turbulência e assim uma melhor troca de calor. Foram realizados 8 furos nas chicanas e nas tampas, um para cada tubo de cobre, tentando deixá-los igualmente espaçados dentro do trocador, como pode ser observado pela Figura 5. Para a fixação das chicanas dentro dos tubos de PVC, foram utilizados cola quente e silicone – Figura 6. Já para as tampas, fez-se o uso de massa plástica – Figura 7.

Figura 5. Chicanas e tubos de cobre
Figura 6. Interior do trocador de calor
Figura 7. Tampa do trocador de calor
Figura 8. Trocador de calor

Os tubos de cobre foram encaixados com as chicanas no interior do tubo, e as tampas foram fixadas, mantendo os tubos de cobre em seu devido lugar. Na primeira montagem (primeiro trocador), como não havia molde para os furos, aconteceu uma irregularidade que dificultou o encaixe dos mesmos, ficando então com espaçamentos desiguais e tortuosos. Portanto, foi necessário ajustá-los manualmente para que ficassem no lugar correto. Para evitar vazamentos, colocou-se durepox ao redor de todos os tubos, garantindo a vedação dos furos nas tampas.

Com tudo fixado e seco, o protótipo estava pronto para ser finalizado. Para isso, o cap foi preparado separadamente. Primeiro, foi furado o local onde seria a entrada da mangueira, no centro do cap. Para evitar vazamentos, foi colocado o veda-rosca ao redor da mangueira e foi realizado um teste para verificar a vedação. O teste mostrou que seria necessário a adição de mais um material para vedação. Foi escolhido o durepox. Foi posta uma quantidade suficiente da massa para obter os resultados desejados. Por fim, o cap foi encaixado no tubo de PVC, finalizando o corpo do primeiro trocador de calor. Para finalizá-lo, foram feitos dois furos para entrada e saída de água da parte externa do mesmo.

Foi realizado um teste, no qual foi verificado um novo vazamento entre tubo de PVC e o cap. Para solucionar esse gargalo, foi utilizada massa plástica. Assim, foi finalizado o primeiro trocador de calor.

Para o início da montagem do segundo trocador de calor, todos os gargalos encontrados anteriormente foram amenizados. Para solucionar o problema do encaixe dos tubos de cobre, foi feito um molde com marcações nas chicanas, o que permitiu acomodar mais facilmente os tubos. Já eram conhecidos os locais onde poderia haver vazamento, então, mesmo sem realizar testes, foi colocada massa plástica e durepox nos lugares que eram necessários. Com isso, o segundo trocador de calor foi finalizado mais rapidamente. A Figura 8 representa os trocadores de calor finalizados. Com ambos os protótipos concluídos, foi montada a sequência em série dos dois trocadores conectando as mangueiras aos banhos e realizando os testes necessários.

Para a construção dos suportes dos trocadores, foram usados suportes de parede que foram adaptados com durepox e foram fixados em tábuas de madeira pequenas. E então, por fim, para uma melhor apresentação, foram passados massa plástica e gesso ao redor de todo o trocador, e depois foi pintado de branco, como pode ser visto na Figura 9.

O procedimento pode ser simplificado e demonstrado através do fluxograma da Figura 10.

Figura 9. Trocador de calor finalizado

RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na bancada foi montado o sistema para a troca de calor, com dois banhos termostáticos e os dois trocadores de calor.

No primeiro teste, os banhos tiveram suas temperaturas de saída ajustadas, porém o intuito do trabalho que era resfriar o sistema foi modificado e foi feito um aquecimento do sistema. Isso foi necessário tendo em vista como seriam interligados os trocadores aos banhos, além do que as temperaturas seriam mais fáceis de serem alcançadas. Com as temperaturas ajustadas de um banho em 60ºC e o outro em 40ºC, foram então interligados aos trocadores, unindo suas mangueiras diretamente nas saídas dos banhos.

Como a troca térmica foi em um sistema água-água, a mangueira do primeiro trocador de calor que entra com a água nos tubos de cobre foi ligada à saída da água da torneira, com temperatura ambiente de 22ºC. As mangueiras que entram e saem com a água no casco foram interligadas ao banho de 40ºC, ou seja, a água recircula dentro do casco. Os trocadores estão ligados em série, então a mangueira que sai dos tubos do primeiro trocador foi conectada à entrada dos tubos de cobre do segundo trocador, e as mangueiras do casco (entrada e saída) foram ligadas ao banho de 60ºC. Então seria medida a temperatura da água que sai dos tubos de cobre. Porém, os banhos têm vazões de saída muito altas e, até o momento, não se dispunha de válvulas para regular suas vazões. Então, os trocadores começaram a vazar, ou seja, as águas começaram a se misturar, e o que tinha de ficar só dentro do casco recirculando estava saindo na mangueira de entrada dos tubos de cobre. Foi necessário abrir os trocadores e verificar suas falhas.

Figura 10. Fluxograma do processo
Figura 11. Trocador de calor com cap cortado

Foram abertos os dois trocadores pelas partes laterais da tampa. O motivo de as águas estarem se misturando era o vazamento ao redor dos tubos de cobre. Foi necessário fazer uma vedação mais eficiente, pois estavam vedados com durepox, e esses, quando duros, não aderiam totalmente na volta dos tubos. Foram retirados esses durepox, e vedou-se novamente com veda-calha, um material viscoso, prateado de aspecto borrachuro, que se molda diante do objeto. A correção pode ser visualizada na Figura 11, acima.

Um dos trocadores foi reaproveitado e depois da vedação foi feito um novo teste de vazamento utilizando apenas água da torneira. Como estava tudo certo, as tampas foram coladas e feito um novo teste, verificando-se que não houve mais vazamentos, ou seja, as águas não estavam mais se misturando. O segundo trocador teve que ser refeito. Aproveitaram-se apenas os tubos de cobre, as mangueiras e as chicanas. Com esse novo trocador pronto, foram feitos os testes utilizando a água da mangueira, e neles foi verificado que não havia nenhum vazamento.

Os dois trocadores foram testados e todas as águas saíram na sua mangueira certa. Foi então refeito o teste com os banhos, e para conseguir controlar a vazão foram utilizadas duas válvulas esferas, que foram ligadas às mangueiras dos trocadores e dos banhos, para que mantivessem as vazões estipuladas. Assim, o teste com os banhos deu certo. A temperatura entrou a 22ºC (temperatura ambiente) e saiu como prevista, aquecida para 41ºC. Abaixo o fluxograma, para melhor entendimento, na Figura 12.

Figura 12. Fluxograma

Teste de eficiência
O teste da rede de trocadores de calor foi feito utilizando-se água para os fluidos quente e frio. O fluido frio passa pelo feixe de tubos, feito de cobre, e o fluido quente passa pelo casco, que é de PVC.

Após a verificação de que os dois trocadores envolvidos estavam completamente vedados, sem vazamentos dos fluidos entre o feixe de tubos e o casco, o teste para verificar se os trocadores realmente funcionam pôde ser feito. Para atingir as temperaturas de operação foram utilizados dois banhos, um feito pela empresa Tecnal e o outro pela empresa Marq Labor.

O banho Tecnal foi colocado para operar com temperatura de setpoint de 40ºC, enquanto o Marq Labor foi colocado para operar com temperatura de 60ºC. Por fim, a temperatura real foi de 40,1ºC e 59,4ºC, diferença que não tem significância para este caso. As vazões utilizadas foram 1,07 kg/min, para o banho Tecnal, e 1,89 kg/min, para o banho Marq Labor.

O fluido que passa pelo casco do primeiro trocador é a água a 40ºC, enquanto no segundo trocador a água entra no casco a 60ºC. O fluido frio que passa pelo feixe de tubos é água da torneira a 22ºC e vazão de 0,54 kg/min. A Figura 13 mostra a disposição dos trocadores durante o teste. O fluido frio teve sua temperatura medida ao sair do segundo trocador de calor, indicando estar a 41ºC. Isso mostra que realmente houve troca térmica e que o trocador funciona, podendo ser usado em outras ocasiões.

SEGURANÇA DO TRABALHO
Segurança do trabalho pode ser entendida como conjunto de medidas que são adotadas visando minimizar os acidentes de trabalho, doenças ocupacionais, bem como proteger a integridade e a capacidade de produção do funcionário. Nos locais de trabalho existem inúmeras situações de risco passíveis de provocar acidentes. Logo, a análise de fatores de risco em todas as tarefas e nas operações do processo é fundamental para a prevenção.

O quadro de segurança do trabalho de uma empresa compõe-se de uma equipe multidisciplinar com técnico de segurança do trabalho, engenheiro de segurança do trabalho, médico do trabalho e enfermeiro do trabalho. Esses profissionais formam o que chamamos de SESMT (Serviço Especializado em Engenharia de Segurança e Medicina do Trabalho). Também os empregados constituem a Cipa (Comissão Interna de Prevenção de Acidentes), que tem como objetivo a prevenção de acidentes e doenças decorrentes do trabalho, de modo a tornar compatível permanentemente o trabalho com a preservação da vida e a promoção da saúde das pessoas.

Figura 13. Sistema de trocadores

A segurança do trabalho é definida por normas e leis. No Brasil, a legislação de segurança do trabalho compõe-se de normas regulamentadoras, leis complementares, como portarias e decretos, e também das convenções internacionais da Organização Internacional do Trabalho, ratificadas pelo Brasil.

Assim, serão apresentadas as próximas tabelas referentes à segurança do trabalho do trabalho em questão.

CONCLUSÕES
Os trocadores de calor desempenham papel importante nas diversas áreas do conhecimento e pesquisa científica e aplicações tecnológicas. Nas indústrias, são usados para aquecer ou resfriar fluidos para usos diversos. Com a realização deste projeto, foi possível a verificação e a validação da teoria a respeito de trocadores de calor. Por meio da construção do protótipo, pode-se perceber as dificuldades envolvidas nesse processo e o grande número de variáveis que tornam um trocador eficaz. Dentre elas, é possível citar o material utilizado, o sentido do fluxo do fluido de arrefecimento e as vazões das fontes (quente e fria). O material influencia diretamente a troca de calor. Utilizou-se o cobre devido a seu alto coeficiente de condução, que proporciona um elevado efeito útil neste caso (resfriamento). O sentido do fluxo neste experimento foi a configuração contracorrente, que foi mais eficiente que a configuração na qual os fluidos escoam no mesmo sentido.

Constatou-se também que, ao aumentar demasiadamente a vazão, a eficácia diminuía.

Por fim, pode-se concluir que, após os testes, o trocador de calor construído pelos autores (com comprimento de 35 cm – dois trocadores de calor com 17,5 cm cada) deveria possuir um comprimento de 43 cm, ou seja, dois de 21,5 cm. Tal diferença proporcionou um erro de 20%. Portanto, mesmo os trocadores sendo menores que os trocadores calculados, eles obtiveram a mesma eficiência, comprovando então o sucesso do projeto. Deste modo, os objetivos do trabalho foram integralmente satisfeitos, e o protótipo poderá ser utilizado para fins didáticos como experimento prático de operações unitárias no laboratório da Universidade Federal do Triângulo Mineiro.

Roteiro Prático
Uma prática proposta para ser realizada em laboratórios é descrita a seguir. A prática consiste em calcular o DTML e o fluxo de calor da corrente quente e da corrente fria.

Para seu desenvolvimento serão necessários, além do protótipo do trocador de calor, quatro termopares para medição das temperaturas e um banho termostático. O primeiro passo é conectar as mangueiras do trocador de calor da seguinte forma: a mangueira de entrada do casco é ligada à saída do banho, onde uma válvula é adicionada para fazer o controle da vazão; a mangueira de saída do casco é ligada à entrada do banho; já a mangueira dos tubos de cobre é conectada à torneira. Após essas conexões é necessário encaixar os termopares nos locais adequados das mangueiras nas entradas e saídas do trocador para que as temperaturas possam ser aferidas a cada intervalo de tempo preestabelecido. Em seguida, ao ligar o banho e abrir a torneira para dar início ao processo, dispara-se o cronômetro no mesmo momento e começa a anotar as temperaturas num intervalo de 3 em 3 minutos, até que se completem 30 minutos.

Passados os 30 minutos, desconectam-se as mangueiras e medem-se as vazões volumétricas (Qv) do fluido quente e do fluido frio que foram utilizadas. Essas vazões devem estar na unidade de (m³/s). Com o valor da vazão volumétrica, o próximo passo é encontrar a vazão mássica, que é calculada com a multiplicação da vazão volumétrica pela massa específica do fluido, no caso é a água, que possui um valor tabelado de ρ =1000 kg/m³. Com a vazão mássica calculada é preciso encontrar o ΔT do fluido quente e do fluido frio, que é a diferença da temperatura maior com a menor. Com todos os dados obtidos, o fluxo de calor (Q) pode ser calculado a partir da Equação 1 e assim obtém-se o fluxo de calor para cada intervalo de temperatura.

Depois do fluxo de calor Q calculado para o fluido frio e para o fluido quente, agora calcula-se a média logarítmica DTML em cada posição do tempo cronometrado. Para o cálculo do DTML, é necessário saber em qual sentido as correntes foram ligadas: em correntes opostas ou correntes paralelas.

Figura 14. Correntes paralelas e correntes opostas

As diferenças de temperaturas entre os fluidos nas extremidades do trocador, para o caso de correntes paralelas, são: onde o ΔT1 é a diferença entre as temperaturas quentes de entrada menos a temperatura fria de entrada. O ΔT2 é o diferencial da temperatura quente de saída com a fria de saída. Ou seja, é a diferença entre as temperaturas do mesmo sentido. No caso das correntes opostas, as diferenças são: o ΔT1 é a diferença da temperatura quente de entrada menos a temperatura fria de saída. O ΔT2 é a diferença entre a temperatura quente de saída e a temperatura fria de entrada. Ou seja, é a diferença entre as temperaturas opostas. Com os valores do ΔT1 e do ΔT2 resta calcular a média logarítmica DTML.

Além desses valores calculados, é possível fazer dois gráficos: um para o fluxo de calor quente pelo tempo e outro para o fluxo de calor frio pelo tempo. Com posse desses gráficos, analisa-se a tendência do fluxo de calor com o tempo.

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Veja também: