A seguir estão alguns princípios termodinâmicos que são úteis para entender como os trocadores de calor funcionam:
- Primeira Lei da Termodinâmica:A primeira lei é referida como a Lei da Conservação da Energia, que afirma que a energia (na forma de calor e trabalho) não pode ser criada nem destruída. Ele só pode ser transferido para outro sistema ou convertido para uma forma ou outra. Em trocadores de calor, esta afirmação é traduzida pela equação de balanço de calor escrita como:
(Entrada de calor) mais (Geração de calor)=(Saída de calor) mais (Acumulação de calor)
Assumindo que ele opera em um fluxo de estado estacionário, isso significa que as propriedades térmicas permanecem constantes em todos os pontos conforme o tempo muda, e o sistema é adiabático (perfeitamente isolado), a equação de equilíbrio de calor é simplificada para Heat In=Heat Out . Esta é uma das equações mais básicas usadas no projeto e operação de trocadores de calor.
- Segunda Lei da Termodinâmica:A segunda lei introduz o conceito de entropia, o grau de desordem e aleatoriedade de um sistema. A entropia do universo está aumentando constantemente e nunca pode diminuir. Ela nos diz a direção do fluxo de energia entre dois sistemas em interação nos quais a maior entropia é gerada. O calor é sempre transferido de um corpo com temperaturas mais altas para temperaturas mais baixas, que é a tendência natural de todos os sistemas. Para trocadores de calor, o fluido frio ganha calor e aumenta sua temperatura, e o fluido quente perde calor e diminui sua temperatura.
Mecanismo de Transferência de Calor
O mecanismo envolvido na transferência de calor em trocadores de calor é uma combinação de condução e convecção. A força motriz da transferência de calor é a diferença de temperatura entre as temperaturas de entrada e saída menos a temperatura de entrada e saída do fluxo do processo.
Temperatura de aproximação:A temperatura de aproximação de um trocador de calor é a diferença entre as temperaturas de saída e entrada de uma corrente de fluido menos a diferença entre as temperaturas de entrada e saída da corrente do processo. Com temperaturas de aproximação quentes, a diferença está entre a temperatura de entrada quente e a temperatura de saída fria. Com temperaturas de aproximação frias, há uma temperatura inversa de aproximação fria e temperatura de saída quente.
Todos os trocadores de calor têm uma temperatura de aproximação ideal, que deve ser levada em consideração ao tomar a decisão de comprar um trocador de calor, pois o erro de cálculo da temperatura de aproximação pode levar a ter o tipo errado de trocador de calor para um processo.
Condução:Esta é a transferência de energia térmica por colisões diretas de moléculas adjacentes. Uma molécula com maior energia cinética transferirá energia térmica para uma molécula com menor energia cinética. Ocorre mais facilmente em sólidos. Para trocadores de calor, ocorre na parede que separa os dois fluidos. A Lei de Condução de Calor de Fourier afirma que a taxa de transferência de calor normal à seção transversal do material é proporcional ao gradiente negativo de temperatura. A constante de proporcionalidade é a condutividade térmica do material.
Q = -k A
Onde Q é a taxa de transferência de calor, k é a condutividade térmica do material, A é a área normal à direção do fluxo de calor e dT/dx é o gradiente de temperatura.
Convecção:A convecção em trocadores de calor ocorre através do movimento do fluido contra a superfície da parede, transferindo assim energia térmica. Este fenômeno é representado pela Lei de Resfriamento de Newton, que afirma que a taxa de perda de calor é proporcional de um corpo à diferença de temperatura do corpo e seus arredores (neste caso, a parede e o fluido).Q = h A ΔT
Onde Q é a taxa de transferência de calor, A é a área normal à direção do fluxo de calor e ΔT é a diferença de temperatura entre a parede e o fluido a granel. O coeficiente de transferência de calor por convecção, denotado por h, é avaliado com base nas dimensões da parede, nas propriedades físicas do fluido e nas características do fluxo do fluido.Durante a operação de um trocador de calor com partição condutiva, o calor é transferido do fluido quente para o fluido frio nesta sequência:
- Do fluido quente para a superfície adjacente da parede por convecção.
- Através do lado da superfície da parede por condução.
- Da parede para o fluido frio por convecção.
