OPERAÇÕES UNITÁRIAS III: TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Transferência de calor (ou calor) é energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura. Sempre que existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios ocorrerá transferência de calor. Assim acontece nas operações unitárias desta classificação nas indústrias como um todo. Vamos nos aprofundar nelas?

O estudo das operações unitárias e dos fenômenos de transporte tem aplicações muito importantes no campo da engenharia, pois permite “conhecer” assuntos diversos, como o transporte de fluidos através de tubulações ou a quantificação da dissipação de calor em motores. Eles são indispensáveis para projeto, operação e otimização de processos e equipamentos, em todos os campos da engenharia.

Os fenômenos de transferência tratam basicamente da movimentação de uma grandeza física de um ponto a outro do espaço, e são eles: transporte de quantidade de movimento, transporte de massa e transporte de energia térmica. Este último é fundamental para todos os ramos da engenharia, principalmente para e engenharia química,  e importante para a maioria de problemas industriais e ambientais.

Os processos de transferência de calor ou de energia térmica afetam também a performance de sistemas de propulsão (motores a combustão e foguetes). Outros campos que necessitam de uma análise de transferência de calor são sistemas de aquecimento, incineradores, armazenamento de produtos criogênicos, refrigeração de equipamentos eletrônicos, sistemas de refrigeração e ar condicionado e muitos outros.

A transferência de calor pode ser definida como a transferência de energia de uma região para outra como resultado de uma diferença de temperatura entre elas. É necessário o entendimento dos mecanismos físicos que permitem a transferência de calor de modo a poder quantificar a quantidade de energia transferida na unidade de tempo (taxa).

Os mecanismos são:

  • Condução: processo pelo qual a energia é transferida de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa dentro de um meio (sólido, líquido ou gasoso) ou entre meios diferentes em contato direto;
  • Convecção: processo pelo qual energia é transferida das porções quentes para as porções frias de um fluido através da ação combinada de: condução de calor, armazenamento de energia e movimento de mistura;
  • Radiação: processo pelo qual calor é transferido de uma superfície em alta temperatura para uma superfície em temperatura mais baixa quando tais superfícies estão separadas no espaço, ainda que exista vácuo entre elas. A energia assim transferida é chamada radiação térmica e é feita sob a forma de ondas eletromagnéticas;

Baseado nesses conceitos surge às operações que envolvem trocas térmicas e que se fundamentam no princípio de transferência. As tecnologias de aquecimento e resfriamento e o transporte de calor que resulta destas operações, são etapas fundamentais em todos os processos da indústria química.

O processo de troca de calor entre dois fluidos que estão em diferentes temperaturas e separados por uma parede sólida ocorre em muitas aplicações da engenharia. Os equipamentos usados para implementar esta troca são denominados trocadores de calor, e aplicações específicas podem ser encontradas em aquecimento e condicionamento de ambiente, recuperação de calor, processos químicos etc. Como aplicações mais comuns deste tipo de equipamento temos: aquecedores, resfriadores, condensadores, evaporadores, torres de refrigeração, caldeiras, etc.

Podemos classificar os trocadores de diversas maneiras. Uma delas é:

  1. Quanto ao modo de troca de calor;
  2. Quanto ao número de fluidos;
  3. Tipo de construção, etc.

Figura 9: Diagrama de classificação de trocadores de calor
Fonte: Autora

Os trocadores de calor mais conhecidos no ramo industrial são:

Trocador Tubular – Casca e Tubo

Este trocador é construído com tubos e uma carcaça. Um dos fluidos passa por dentro dos tubos, e o outro pelo espaço entre a carcaça e os tubos. Eles são os mais usados para quaisquer capacidades e condições operacionais, tais como pressões e temperaturas altas, atmosferas altamente corrosivas, fluidos muito viscosos, etc.

Trocador Tubo Duplo

São formados por dois tubos concêntricos, como ilustra a figura abaixo. Pelo interior do tubo do primeiro (mais interno) passa um fluido e, no espaço entre as superfícies externa do primeiro e interna do segundo, passa o outro fluido. A área de troca de calor é a área do primeiro tubo. Este é talvez o mais simples de todos os tipos de trocador de calor pela fácil manutenção envolvida. É geralmente usado em aplicações de pequenas capacidades.

Trocador Serpentina

São formados por um tubo enrolado na forma de espiral, formando a serpentina, a qual é colocada em uma carcaça ou recipiente. A área de troca de calor é área da serpentina. As expansões térmicas não são nenhum problema, mas a limpeza é muito problemática. Ele permite maior área de troca de calor que o anterior, tem grande flexibilidade de aplicação e é usado principalmente quando se quer aquecer ou resfriar um banho.

Além dos trocadores de calor, têm-se as torres de refrigeração e caldeiras, equipamentos utilizados regularmente nas indústrias em geral. O primeiro equipamento citado é uma estrutura que se destina a eliminar os resíduos de calor de uma determinada etapa de um processo ou de fluidos utilizados no processo, como por exemplo, água industrial, que em muitos casos é o principal componente a ser resfriado.

O calor é puxado para fora a partir de um procedimento onde o mesmo é gerado e encaminhado para a mesma de modo que ele possa ser dispersado no meio ambiente, resfriando esta etapa do processo. Estas estruturas são utilizadas em uma série de indústrias diferentes, e muitas pessoas estão familiarizadas com estas edificações, mesmo que não estejam completamente certas do que elas são, porque elas tornaram-se visualmente associadas com usinas nucleares. As torres distintas vistas por motivos de tais instalações são, na verdade, torres de resfriamento, e não a própria planta, elas podem possuir várias formas distintas.

Figura 10: Modelo de torre de resfriamento industrial
Fonte: http://www.jmatos.com/pt/torres-arrefecimento.html

Caldeira ou gerador de vapor é um equipamento que se destina a gerar vapor através de uma troca térmica entre o combustível e a água, sendo que isto é feito por este equipamento construído com chapas e tubos cuja finalidade é fazer com que água se aquece e passe do estado líquido para o gasoso, aproveitando o calor liberado pelo combustível que faz com as partes metálicas da mesma se aqueçam e transfiram calor à água produzindo o vapor.

A finalidade de se gerar o vapor veio da revolução industrial e os meios da época que se tinha era de pouca utilização, mas o vapor no início serviu para a finalidade de mover máquinas e turbinas para geração de energia e locomotivas, com advento da necessidade industrial se fez necessário à necessidade de cozimentos e higienização e fabricação de alimentos, se fez necessário à evolução das caldeiras. Com isto, utiliza-se o vapor em lacticínios, fabricas de alimentos (extrato de tomate, doces), gelatinas, curtumes, frigoríficos, indústrias de vulcanização, usinas de açúcar e álcool, tecelagem, fabricas de papel e celulose entre outras.

Fonte: https://www.mecanicaindustrial.com.br/40-como-as-caldeiras-de-agua-funcionam/

As operações unitárias com transferência de calor possuem também outro tipo de transferência que está diretamente relacionado a matéria ou material, geralmente o fluido e/ou sólido, contidos em um determinado equipamento. Desse modo, o estudo dessa segunda transferência é fundamental para a compreensão do processo como um todo. Todas as suas perdas, eficiência, rendimento e aplicações de um determinado equipamento são importantes ao longo dos processos gerados pelas empresas, independente da área de atuação.

É preciso aprofundar os conhecimentos acerca das atuações da matéria e suas funcionalidades nos sistemas operacionais. Por isso, vamos conhecer as operações unitárias que envolvem transferência de massa. Nos vemos no próximo episódio!

REFERÊNCIAS

Caldeiras

– QUITES, Eduardo Emery Cunha; LIA, Luiz Renato Bastos. Introdução à transferência de calor. Acesso em 12 de Julho de 2019.

Torres de Resfriamento 

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