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Os trocadores de calor transferem calor entre duas espécies e são usados para uma ampla variedade de aplicações, desde radiadores de carros até fábricas de produtos químicos em grande escala. Existem muitos projetos de trocadores de calor, incluindo trocadores de casco e tubo e trocadores de tubos com aletas. Para estes, uma série de tubos e aletas é usada para transferir calor do fluido quente para o fluido frio. Uma compreensão da eficiência da transferência de calor é importante para a otimização do projeto do trocador de calor e sua integração em sistemas maiores. Este vídeo ilustrará os princípios dos trocadores de calor, demonstrará como calcular o coeficiente de transferência de calor e a eficiência de um trocador de calor de tubo aletado e discutirá as aplicações relacionadas.
Agora, vamos ver como os trocadores de calor funcionam e examinar os princípios que regem sua eficiência. A transferência de calor em um trocador de calor é gerada por espécies de fluidos em contato próximo que são separadas por uma barreira física. Eles podem fluir paralelos ou contrários um ao outro. A troca de calor é impulsionada por diferenças locais de temperatura entre os fluidos. O mais quente dos dois fluidos que entram no trocador de calor sairá com uma temperatura reduzida, enquanto o mais frio sairá com uma temperatura aumentada. A eficiência da transferência de calor pode ser aumentada pela adição de aletas à área de fluxo, o que aumenta a área de superfície disponível para transferência de calor. No entanto, as aletas adicionadas também diminuem a região através da qual o fluido flui, fornecendo mais superfícies para a formação de camadas limites. Uma camada limite é a fina camada de fluido em contato com a superfície que é afetada por forças de cisalhamento. Quando a camada limite é laminar, há muito pouca mistura e a transferência de calor é inibida. Em taxas de fluxo mais altas, ou distâncias mais longas, o fluxo laminar se quebra e faz a transição para um fluxo turbulento, onde o fluido a granel se mistura de forma mais eficaz. Durante a operação em estado estacionário, o calor total transferido, Q, pode ser calculado usando o coeficiente geral de transferência de calor U, a área através da qual o calor flui, A e delta TLM, a diferença de temperatura média logarítmica entre o fluxo de fluido a granel e a superfície de calor. UA é a condutância geral e é uma medida da capacidade de transferência de calor de um trocador de calor. O coeficiente geral de transferência de calor é determinado por esta equação que leva em consideração as áreas de superfície do tubo e das aletas, os coeficientes de transferência de calor e a condutividade térmica e espessura do tubo. O coeficiente de transferência de calor é estimado a partir de dados experimentais usando métodos gráficos, como o gráfico de Wilson, que representa o recíproco da condutância geral versus um sobre o Reynolds elevado à potência de oito décimos. A regressão linear é usada para resolver os coeficientes de transferência de calor. O número de Reynold adimensional é a razão de forças inerciais para forças viscosas e usado para descrever o padrão de fluxo. Onde D é o diâmetro equivalente do tubo, G é a velocidade da massa do fluido e Mu é a viscosidade do fluido. Um número de Reynold mais alto indica um fluxo mais turbulento, maior mistura de fluidos e maior transferência de calor. Agora que você entende como calcular os coeficientes de transferência de calor e os números de Reynold, vamos avaliar a eficiência de transferência de calor de um trocador de calor de tubo aletado, variando as taxas de fluxo de água e monoetilenoglicol.
Antes de começar, familiarize-se com o aparelho trocador de calor de tubo com aletas. Abra a válvula de carga, ligue a unidade e espere que o vapor comece a se formar. Usando um cronômetro e o medidor, determine a vazão de água. Inicie o cronômetro e monitore o medidor exibindo o volume de água. Pare o cronômetro após 30 segundos. Registre o volume total de água no medidor e divida o volume pelo tempo medido. Em seguida, leia a taxa de fluxo MEG no visor. Quando os 30 segundos para o cálculo da taxa de fluxo tiverem passado, registre a temperatura dos termopares.
Agora, varie as taxas de fluxo para obter dados para seis execuções exclusivas. Cada corrida consiste em uma taxa de fluxo de água e MEG definida. Defina a taxa de fluxo de água para alta ou baixa e execute-a com uma taxa de fluxo alta, média ou baixa de MEG para um total de seis execuções. Repita o mesmo procedimento acima para cada vazão para registrar as vazões volumétricas de água e MEG e a diferença de temperatura do termopar. Quando terminar, desligue o instrumento. Feche as válvulas para o fluxo de vapor, glicol e água. Em seguida, desligue o interruptor principal.
Para calcular o calor total transferido, Q, para cada corrida, use as diferenças de temperatura obtidas de cada experimento e os parâmetros físicos do monoetilenoglicol. Em seguida, determine o número de Reynold para cada trecho exclusivo usando as dimensões do tubo e a massa, velocidade e viscosidade da água.
Agora vamos comparar os resultados com os valores teóricos do trocador de calor sem aletas. Um gráfico de Wilson foi usado para determinar os coeficientes de transferência de calor, plotando um sobre UA, versus um sobre o número de Reynold elevado à potência de oito décimos e relacionando o ajuste linear à equação para o coeficiente geral de transferência de calor. As linhas azul, vermelha e verde indicam as taxas de fluxo de monoetilenoglicol altas, médias e baixas no experimento. Quando comparado a um tubo sem aletas, o tubo com aletas não atingiu fluxo turbulento. As aletas fornecem superfícies adicionais para que as camadas limite formem e mantenham o monoetilenoglicol em um regime de fluxo mais laminar. No entanto, ao comparar o calor transferido entre o trocador com e sem aletas em diferentes taxas de fluxo de MEG, fica claro que um tubo com aletas transferiu mais calor do que um tubo sem aletas nas mesmas configurações operacionais. A transferência de calor é mais eficaz com uma área de superfície maior, apesar do fato de que os tubos aletados induzem o fluxo laminar, sua eficiência térmica foi muito maior do que para o tubo não aletado.
Os trocadores de calor são usados em uma variedade de configurações para transferir calor de uma espécie para outra. Em todos os edifícios, os trocadores de calor fazem parte dos sistemas de aquecimento e ar condicionado para regular a temperatura. Eles também são usados para controlar a temperatura central do paciente em ambientes de cuidados intensivos, como após parada cardíaca, febre neurogênica ou cirurgia. Os trocadores de calor também são usados em pequena escala na desnaturação e precipitação de calor de proteínas de extratos vegetais. Essa técnica foi usada na extração de uma vacina candidata contra a malária de plantas de tabaco transgênicas para reduzir a concentração de proteínas da célula hospedeira.
Você acabou de assistir à introdução da JoVE aos trocadores de calor de tubo aletado. Agora você deve entender os princípios da transferência de calor, ser capaz de avaliar a eficiência do calor e conhecer várias aplicações de trocadores de calor em vários processos. Obrigado por assistir.
