Trocador de calor, um dispositivo muito utilizado nas indústrias

O trocador de calor, na indústria, é geralmente desejado para extrair calor a partir de uma corrente de fluido e adicioná-lo para outro. Os dispositivos utilizados para este fim têm passagens para cada um dos dois fluxos separados por uma superfície de troca de calor sob a forma de placas ou tubos e são conhecidos como permutadores de calor. Desnecessário dizer que o radiador de automóvel, o aquecedor de água quente, o radiador de vapor ou de água quente numa casa, a caldeira de vapor, o condensador e o evaporador quer sobre o refrigerador doméstico ou aparelho de ar condicionado, e até mesmo os utensílios de cozinha comuns usados todos os dias são todos os permutadores de calor.

Em usinas termelétricas, refinarias de petróleo e fábricas de produtos químicos, dois permutadores de calor comumente usados são o tubo e o escudo e os trocadores de tubo duplo. O primeiro consiste de um feixe de tubos dentro de uma concha cilíndrica. Um fluido flui no interior dos tubos e o outro entre os tubos e da concha. O tipo duplo tubo consiste de um tubo dentro de outro, um fluido que flui no interior do tubo interior e outro que flui no espaço anular entre os tubos.

Em ambos os casos, as paredes do tubo servem como superfícies de troca de calor. Permutadores de calor consistindo em espaçadas placas planas com os fluidos quentes e frios que fluem entre as placas alternadas também estão em uso. Cada um destes permutadores depende essencialmente do fluxo de convecção de calor através de uma película de cada lado da superfície de troca de calor e de condução através da superfície. Inúmeras modificações especiais, e muitas vezes também utilizando radiação para a transferência de calor, estão em uso na indústria.

Nestes permutadores, as correntes de fluido podem ser de fluxo paralelo ao mesmo tempo ou em fluxo misto. Na maioria dos casos, as temperaturas das várias correntes permanecem essencialmente constante num dado ponto, e o processo é dito para ser um processo de estado estacionário. À medida que os fluxos se movem através dos permutadores, a menos que haja uma mudança de fase, os fluidos mudam continuamente de temperatura, e a gradiente de temperatura a partir de um fluxo para o outro pode ser continuamente variável. Para determinar a quantidade de superfície necessária para um dado processo, o projetista tem de avaliar a gradiente de temperatura eficaz para a condição particular e permutador.

Com temperaturas extremamente altas, ou com correntes de gás que transportam sólidos em suspensão, a utilização de permutadores de calor convencionais se torna impraticável. Sob estas condições, a transferência de calor a partir de um fluxo para outro se torna mais econômico pelo aquecimento alternativo e de arrefecimento de sólidos refratários ou por transferência como no forno com alta temperatura, no regenerador de vidro do forno. Em temperaturas mais baixa, a embalagem de metal é frequentemente empregue, tal como nos pré-aquecedores ou em regeneradores para ar líquido de produção. Na refinação do petróleo e na indústria metalúrgica, permutadores são empregados, no qual um ou mais dos fluxos são leitos fluidizados de sólidos, a grande área dos sólidos que tendem a produzir taxas de troca de calor muito elevadas. Em alguns destes dispositivos e também em reatores nucleares, grandes quantidades de calor são gerados nos permutadores. Aqui um dos principais problemas envolve a remoção rápida da presente calor antes que a temperatura suba até ao ponto onde o equipamento será danificado ou destruído.

Muitas vezes, o aquecimento ou arrefecimento de um corpo é desejado. Neste caso, o corpo que representa a segunda corrente não permanece a uma temperatura constante, o calor a ser transferido representando uma alteração no teor de calor do corpo. Tal processo é conhecido como um processo instável no estado. O aquecimento ou refrigeração de alimentos enlatados e produtos de utensílios, geladeiras e esterilizadores; o aquecimento de tarugos de aço em fornos metalúrgicos; a queima de tijolos em um forno, e da calcinação do gesso são exemplos deste tipo de processo.