Transferência de Calor em Trocadores de Calor de Placas
A transferência de calor é a função principal de um trocador de calor.
As leis da termodinâmica estabelecem as regras básicas para o design de trocadores de calor:
1a Lei da Termodinâmica: Um trocador de calor não pode criar ou destruir energia, mas há sempre um equilíbrio entre os lados quente e frio.
2a Lei da Termodinâmica: O calor flui de um meio quente para um meio frio para equilibrar a diferença de temperatura.
A transferência de calor é a troca de calor entre corpos quentes e frios. Existem três modos fundamentais pelos quais isso ocorre:
- Condução
- Radiação
- Convecção
Nos trocadores de calor, a transferência de calor ocorre por uma combinação de condução e convecção, sendo esses dois fenômenos calculados em cada caso de transferência térmica.
Cálculo da Transferência de Calor
O coeficiente global de transferência de calor (U) é determinado pela soma da transferência de calor convectiva em ambos os lados (h quente e h frio) da superfície de troca térmica, juntamente com a condução (k) através da placa de transferência de calor.
A condutividade térmica é calculada utilizando a condutividade térmica do material da placa e sua espessura. O material das placas é, geralmente, aço inoxidável, com espessuras variando de 0,7 mm a 1,5 mm. Quanto mais fino for o material, mais eficiente será a condução de calor através dele. No entanto, a condutividade térmica de placas com até 1,0 mm de espessura é geralmente insignificante quando comparada à transferência de calor total.
Mais importante do que a condução é a transferência de calor convectiva entre a superfície da placa e o meio em fluxo. A convencção, ou transferência de calor convectiva, ocorre quando o calor é transportado de um local para outro pelo movimento dos fluidos (h na fórmula acima).
A convencção é a propriedade mais desafiadora de calcular. Existem diferentes métodos de cálculo para diferentes geometrias, bem como para liquidos, gases, e casos de transferência de calor envolvendo condensação e evaporação. Equações teóricas, como a equação de Dittus-Boelter, são verificadas e ajustadas por meio de testes experimentais em diferentes tipos de trocadores de calor.
A convecção é o mecanismo dominante nos trocadores de calor de placas, tornando essencial a otimização das forças convectivas.
O coeficiente de transferência de calor convectiva é influenciado pelas propriedades do fluido e pela geometria da superfície do trocador de calor. O fluido em uso geralmente é determinado pelo processo e não pode ser alterado, mas o tipo e a estrutura do trocador de calor podem ser projetados para otimizar a transferência de calor.
Por que a transferência de calor é superior no Trocador de Calor Placa & Casco da Vahterus em comparação com os trocadores de calor Casco & Tubo
O uso de placas de transferência de calor, em vez de tubos, aumenta a área de superfície disponível para o fluxo e também cria um caminho de escoamento que induz maior turbulência mesmo em baixas velocidades. O fluxo entre as placas apresenta uma maior taxa de reativamento da camada limite em comparação com o fluxo em tubos, o que explica a diferença no coeficiente de transferência de calor. O reativamento da camada limite significa que o fluido não flui de forma suave sobre as superfícies de transferência de calor, com mudanças constantes de direção mesmo em baixas velocidades — o que, por sua vez, aumenta a eficiência da troca térmica.
