Como funciona um trocador de calor?

Em sua essência, umpermutador de calorfunciona transferindo energia térmica (calor) de um fluido quente para um fluido frio, sem permitir que os dois fluidos se misturem fisicamente.

Pense em como funciona o radiador de um carro: o motor bombeia líquido refrigerante quente para o radiador e o ar externo sopra pelas aletas metálicas do radiador. O calor passa do líquido, através do metal e para o ar. O motor esfria e o ar esquenta – mas o ar e o líquido refrigerante nunca se tocam.

Os trocadores de calor operam inteiramente de acordo com as leis fundamentais da termodinâmica.

1. O calor sempre busca o equilíbrio:O calor flui naturalmente de uma fonte de alta temperatura para um dissipador de baixa temperatura. Ele nunca fluirá no sentido contrário, a menos que seja forçado (o que requer um compressor, como em uma geladeira).

2. Convecção e condução:A transferência de calor acontece em três etapas distintas:

   • Convecção:O calor se move do fluido quente a granel para a parede interna da barreira metálica.

   • Condução:O calor viaja através da parede metálica sólida.

   • Convecção:O calor se move da parede externa da barreira metálica para o fluido frio a granel.

Para calcular exatamente como funciona um trocador de calor e qual o tamanho que ele precisa ter, os engenheiros usam duas fórmulas principais.

Primeiro, para determinar oDever térmico(a quantidade total de energia sendo movida), observamos as propriedades do fluido:

A maneira como você direciona os fluidos pela máquina muda drasticamente o seu funcionamento. Existem duas maneiras principais de direcionar o fluxo:

Os fluidos quente e frio entram pela mesma extremidade e viajam na mesma direção.

• O resultado:A diferença de temperatura é enorme na entrada, mas à medida que viajam, aproximam-se de uma temperatura de equilíbrio partilhada. O fluido frio podenuncadeixe o trocador mais quente do que o fluido quente sai dele.

O fluido quente entra por uma extremidade e o fluido frio entra pela extremidade oposta, fluindo um após o outro em direções opostas.

• O resultado:Este é o design mais eficiente. Como o fluido frio sempre encontra fluido mais quente à medida que viaja, o fluido frio pode realmente sair do trocador de calor a uma velocidademais altotemperatura do que a temperatura de saída do fluido quente.

Use o simulador interativo abaixo para ver exatamente como essas duas configurações de fluxo alteram o perfil de temperatura dentro da máquina.

Os engenheiros manipulam esses princípios termodinâmicos em diferentes formas físicas para atender às diferentes necessidades industriais:

P: O tamanho do trocador de calor é importante?

R: Absolutamente. De acordo com a fórmula$Q = UA Delta T_{lm}$, o calor total transferido ($Q$) é diretamente proporcional à área ($A$). Um trocador de calor maior tem mais área de superfície metálica, permitindo a passagem de mais calor em um determinado período de tempo.

P: O que faz com que um trocador de calor pare de funcionar de maneira eficaz?

R: O problema mais comum ésujando. Com o tempo, minerais da água (como incrustações de cálcio), ferrugem ou lodo biológico revestem as paredes metálicas. Isto atua como isolamento, reduzindo drasticamente o coeficiente de transferência de calor ($U$) e forçando o sistema a trabalhar mais para atingir as mesmas temperaturas.

P: Os trocadores de calor podem ser usados ​​para resfriamento?

R: Sim. O termo “trocador de calor” refere-se à transferência de calor, independentemente do resultado desejado. Se o seu objetivo é resfriar um motor quente, o trocador de calor (radiador) está removendo calor. Se o seu objetivo é ferver água, o trocador de calor (caldeira) está adicionando calor. A física é idêntica.