trocadores de calor aletados

TROCADORES DE CALOR ALETADOS
Utilizado quando se necessita rejeitar calor a baixas temperaturas.
Pode-se utilizar como meios de resfriamento: ÁGUA ou AR
O uso do AR como meio de resfriamento tem as seguintes vantagens:
- está sempre disponível
- pode ser aplicado a baixas temperaturas
- não é corrosivo
- não causa incrustações nas condições usuais.
Mas como desvantagens se pode citar:
- baixa condutividade térmica
- baixa densidade
- baixo calor específico
- baixo coeficiente de transferência de calor convectivo
- maior volume é necessário para determinada quantidade de calor.
Configuração do equipamento
- utilização de superfícies aletadas no exterior dos tubos para aumentar a
área de troca
- forma geométrica larga e baixa do feixe de tubos devido ao volume de ar
a ser deslocado, combinado com pequena perda de carga admissível
- grandes áreas de captação de ar para a atmosfera.
Análise térmica dos trocadores de calor compactos - aletados
Trocadores aletados tubulares
As aletas são colocadas na superfície exposta ao AR para aumentar a área
superficial e diminuir a resistência à transferência de calor convectiva
q  UAT 
<R  >Q
T
T

 R 1  Rcond  1
hi
he
- condução tem pouca influência
- convecção controladora
Com as aletas:
q  hA T  s .( Tb  Tf )
onde AT = área total de transferência de calor (área da base sem aletas-Ab +
área das aletas-Aa)
AT= Ab+Aa
s = eficiência da superfície aletada (arranjo de aletas + superfície base onde
elas estão)
Tb - Tf = diferença de temperatura entre a base e o fluido
UA 
1
R fe
R fi
1
1

 Rcond 

hi ( A i si ) ( A i si )
h e ( A e se ) A e se
s 
(q  qa )
qT
 b
hA T (Tb  Tf )
qmax
s  1 
Aa
(1  a )
AT
a = eficiência da aleta, a partir de equações e gráficos.
Para um caso geral de convecção se pode utilizar:
a 
tanh( mL c )
mL c
Onde Lc é o comprimento corrigido e o parâmetro m é dado por:
h eP
, sendo P o perímetro, A a área da seção, k a condutividade
m
kA
térmica do material da aleta e he o coeficiente de transferência de calor do
fluido. Ou pode ser reduzido a:
1/ 2
 2h 
m 
 kt 
Onde t é a espessura da aleta.
Cálculo do coeficiente de transferência de calor convectivo do fluido em
contato com as aletas – he
O he é obtido através do fator de Colburn jh, ou:
Jh 
he
Pr 2 / 3
GCp
(1)
Onde Pr é o número adimensional de Prandtl (Pr=cp/k), G é o fluxo mássico
em kg/m2s e cp o calor específico do fluido.
O fator de Colburn, jh, pode ser encontrado através de gráficos para
geometrias específicas (Figs. 11.20 e 11.21 do Incropera) ou através de
correlações. De uma ou outra forma depende do número adimensional de
Reynolds, ou:
Re 
GDh

(2)
Fluxo mássico máximo - G
G  Vmax
Onde Vmax é a velocidade média do fluido através da seção mais estreita, ou
seja, da área mínima de escoamento.
em
 s , ou,
Nas condições de regime estacionário m
 e VA fr  Vmax A min
Considerando que a densidade não varia, o produto da velocidade da
corrente de ar (V) e da área frontal (Afr), ou seja a vazão de ar, deve ser igual
ao produto da velocidade de escoamento no interior do trocador (Vmax) e a
área mínima de escoamento (Amin).
Assim, a Vmax é:
Vmax  V
A fr
A min
Afr = área frontal do trocador de calor
Amin= área mínima de escoamento livre de passagens aletadas está nos
espaços transversais à corrente de fluido
E o G é:
A fr
A min
é geralmente fornecida nas figuras para cada
G  V
A relação entre Amin e Afrontal
configuração, ou:

Portanto:
A min
A fr
G

m
A fr
(3)
Diâmetro hidráulico
Dh  4.
L.A min
AT
(4)
Desta forma o Reynolds é dado por:
Re 

Dhm
A fr
(5)
Para algumas configurações de trocadores de calor aletados se dispõe de
figuras que além das curvas de jh em função do Re fornecem algumas
informações referentes à geometria, por exemplo:
-
de, passo das aletas, espessura das aletas, etc.
=Amin/Afrontal
Dh = diâmetro hidráulico do canal de escoamento (mm)
Compacticidade = área de T.C. total/volume do trocador (m2/m3)
- Aa/AT = área das aletas/ área total do trocador de calor
A compacticidade, , é usada para a determinação do volume do trocador de
calor uma vez conhecida a área da superficície de transferência de calor
(AT).
O volume mínimo de passagem da corrente livre é dado por LxAmin , onde L
é o comprimento do percurso do fluido no miolo do trocador de calor.
Cálculo da perda de carga através das aletas
1. Para aletas circulares

G 2   i
A i 
p 
 1  f
2

2i   o 
Aff m 
2. Para aletas de chapa contínua
A medida que o fluido entra nos canais sofre quedas de pressão em virtude
da contração resultante de variações de área e da expansão livre irreversível
depois de uma contração repentina.




 i

G2 
A i
i 
2
p 
 1  f
 1  ke   2
 kc  1    2

2i 
Aff m
o 
 o 