thumb|300px|Trocador de calor tubular.
Um trocador de calor ou permutador de calor é um dispositivo para transferência de calor eficiente de um meio para outro. Tem a finalidade de transferir calor de um fluido para o outro, encontrando-se estes a temperaturas diferentes. Os meios podem ser separados por uma parede sólida, tanto que eles nunca misturam-se, ou podem estar em contato direto. Um permutador de calor é normalmente inserido num processo com a finalidade de arrefecer (resfriar) ou aquecer um determinado fluido. São amplamente usados em aquecedores, refrigeração, condicionamento de ar, usinas de geração de energia, plantas químicas, plantas petroquímicas, refinaria de petróleo, processamento de gás natural, e tratamento de águas residuais. Em muitos textos em inglês é abreviado para HX (heat exchanger).
Um exemplo comum de trocador de calor é o radiador em um carro, no qual a fonte de calor, a água, sendo um fluido quente de refrigeração do motor, transfere calor para o ar fluindo através do radiador (i.e. o meio de transferência de calor). Em outras aplicações são usados para refrigeração de fluidos, sendo os mais comuns, óleo e água e são construídos em tubos, onde, normalmente circula o fluido refrigerante (no caso de um trocador para refrigeração). O fluido a ser refrigerado circula ao redor da área do tubo, isolado por outro sistema de tubos (similar a uma Serpentina (duto)) que possui uma ampla área geometricamente favorecida para troca de calor.
O material usado na fabricação de trocadores de calor, geralmente possui um coeficiente de condutibilidade térmica elevado. Sendo assim, são amplamente utilizados o cobre e o alumínio e suas ligas.
Dentro da teoria em engenharia, é um volume de controle, sendo que este equipamento normalmente opera em regime permanente, onde as propriedades da seção de um fluido não se altera com o tempo.
A eficiência de um trocador de calor depende principalmente:
Do material utilizado para construção; Da característica geométrica e Do fluxo, temperatura e coeficiente de condutibilidade térmica dos fluidos em evidência.
Genericamente, para melhorar a troca de calor, são colocados aletas em toda a área da tubulação. Estas aletas fazem com que o fluido se disperse em áreas menores, assim, facilitando a troca de calor. Aletas, consistem em células interligadas entre si, onde circula fluido. São construídas em materiais de excelente condutibilidade térmica. Seu uso, acarreta uma grande desvantagem em um sistema termodinâmico, pois reduzem drasticamente a pressão com relação a entrada e saída. A maioria dos trocadores de calor, utilizam tubos com geometrias que favorecem a troca de calor, onde internamente, há em sua área aletas.
Os permutadores de calor existem em várias formas construtivas consoante a aplicação a que se destinam, sendo as principais:
Permutador de calor de carcaça e tubos (em inglês shell and tube heat exchanger) Permutador de calor de placas (plate heat exchanger) Permutador de calor de placas brasadas com aletas (brazed plate fin heat exchanger)
Quanto as fases, existem 2 tipos de trocadores de calor: Monofásico, onde não há mudança de fase no fluido a ser refrigerado ou aquecido e Multifase, onde há mudança de estado físico do fluido. Exemplo de trocadores de calor monofásicos: Radiador de água e intercooler (ou radiadores a ar).
Exemplo de trocadores de calor multifase: Condensador e evaporadores.
Regime de fluxo thumb|160px|left|Fluxos contracorrente (A) e paralelo (B)
Existem duas classificações primárias de trocadores de calor de acordo com seus arranjos de fluxos. Em trocadores de calor de fluxo paralelo, os dois fluidos entram no trocador do mesmo lado, e fluem em paralelo um ao outro para o outro lado. Em trocadores de calor contracorrente os fluidos entram no trocador de lados opostos. O projeto contracorrente é mais eficiente, neste pode-se transferir a maior parte do calor do meio quente (de transferência). Ver troca em contracorrente. Em trocadores de calor contracorrente, os fluidos fluem aproximadamente perpendiculares entre si através do trocador.
Para maior eficiência, trocadores de calor são projetados para maximizar a área de superfície da parede entre os dois fluidos, enquanto minimiza a resistência ao fluxo do fluido através do trocador. O desempenho do trocador também pode ser afetado pela adição de aletas ou ondulações em um ou ambos os sentidos, o que aumenta a área de superfície e pode aumentar o fluxo em canal do fluido ou induzir turbulência.
A temperatura de condução através da superfície de transferência de calor varia com a posição, mas uma temperatura média adequada pode ser definida. Na maioria dos sistemas simples, esta é a diferença de temperatura média logarítmica (LMTD, log mean temperature difference). Às vezes, o conhecimento direto da LMTD não está disponível e o Método das NTU (número de unidades de transferência, em inglês Number of Transfer Units ) é usado.
Tipos de trocadores de calor
Trocador de calor casco e tubo
thumb|right|Um trocador de calor casco e tubos
Trocadores de calor casco e tubo consistem de uma série de tubos. Um conjunto destes tubos contém o fluido que deve ser ou aquecido ou esfriado. O segundo fluido corre sobre os tubos que estão sendo aquecidos ou esfriados de modo que ele pode fornecer o calor ou absorver o calor necessário. O conjunto de tubos é chamado feixe de tubos e pode ser feita de vários tipos de tubos: simples, longitudinalmente aletados, etc. Trocadores de calor casco e tubos são normalmente utilizados para aplicações de alta pressão (com pressões superiores a 30 bar e temperaturas superiores a 260°C).Saunders, E. A. (1988). Heat Exchanges: Selection, Design and Construction. New York: Longman Scientific and Technical. Isso ocorre porque os trocadores de calor casco e tubo são robustos, devido à sua forma.
Existem várias características de projeto térmico, que devem ser tidas em conta quando projeta-se os tubos nos trocadores de calor de casco e tubo. Estas incluem:
Diâmetro dos tubos: Usar-se tubos de pequeno diâmetro faz o trocador de calor tanto econômico como compacto. No entanto, é mais provável o trocador de calor incrustam mais rapidamente e pequeno tamanho faz a limpeza mecânica das incrustações difícil. Ao prevalecer a incrustação e os problemas de limpeza, tubos de diâmetros maiores devem ser utilizados. Assim, para determinar o diâmetro de tubos, o espaço disponível, custos, incrustação, bem como a natureza dos fluidos devem ser considerados. Espessura de parede de tubo: A espessura das paredes dos tubos é normalmente determinada de maneira a garantir: Existir espaço suficiente para a corrosão Que a vibração induzida por fluxo tenha resistência Resistência axial Disponibilidade de peças sobressalentes Resistência de contenção ou "de cintura" (para suportar a pressão do tubo interno) Resistência à flambagem (para suportar sobrepressão no casco) Comprimentos dos tubos: trocadores de calor são normalmente mais baratos quando tem um menor diâmetro de casco e um longo comprimento de tubo. Assim, normalmente há um objetivo de tornar o trocador de calor, enquanto ao mesmo tempo fisicamente possível, não excedendo as capacidades de produção. No entanto, existem muitas limitações para isso, inclusive o espaço disponível no local onde vai ser utilizado e a necessidade de assegurar que não haja tubos disponíveis em comprimentos que são o dobro do comprimento necessário (para que os tubos possam ser retirados e substituídos). Além disso, o que tem que ser lembrado, os tubos finos são difíceis de remover e substituir. Passo (pitch) dos tubos: quando projeta-se os tubos, é prático para garantir que o passo (pitch) dos tubos (i.e., a distância do centro do tubo ao centro de tubos adjacentes) não seja inferior a 1,25 vezes o diâmetro dos tubos externos. Um passo maior dos tubos leva a um maior diâmetro global do casco que leva a um trocador de calor mais caro. Corrugação dos tubos: este tipo de tubos, tubos corrugados, utilizados principalmente para os tubos internos, aumenta a turbulência dos fluidos e o efeito é muito importante na transferência de calor dando um melhor desempenho. Distribuição ou configuração (layout) dos tubos: refere-se a como os tubos são posicionados dentro do casco. Existes quatro tipos principais de configuração dos tubos, os quais são, triangular (30°), triangular "girado" (60°), quadrado (90°) ou quadrado girado (45°). Os padrões triangulares são empregados para produzir maior transferência de calor em que força-se o fluido a fluir de uma forma mais turbulenta ao redor da tubulação. Padrões quadrados são empregados onde alta incrustação é experimentada e operações de limpeza são mais regulares. Projeto das chicanas: chicanas ou defletores são usados em trocadores de calor casco e tubo para direcionar o fluido através do feixe de tubos. Eles correm perpendicularmente ao caso e mantém coeso e fixo o feixe de tubos, evitando que os tubos de vergarem ao longo de um comprimento longo. Eles também podem impedir que os tubos vibrem excessivamente. O tipo mais comum de chicana é a chicana segmentar. As chicanas segmentares semicirculares são orientadas a 180 graus para as chicanas adjacentes forçando o líquido a fluir para cima e para baixo entre o feixe de tubos. Chicanas de espaçamento são de grande importância termodinâmica no projeto de trocadores de calor de casco e tubo. Chicanas devem ser espaçadas, tendo em consideração para a conversão da queda de pressão e transferência de calor. Para a otimização térmica e econômica é sugerido que as chicanas sejam espaçados não mais de 20% do diâmetro interno do casco. Tendo-se chicanas espaçadas muito próximas provoca-se uma maior queda de pressão por causa do redirecionamento de fluxo. Consequentemente com as chicanas espaçadas significa que pode haver regiões mais frias nos cantos entre as chicanas. Também é importante para garantir que as chicanas sejam espaçadas perto o suficiente para que os tubos não cedam. O outro tipo principal de defletor é o disco e defletor de rosca, que consiste de dois defletores concêntricos, o defletor exterior mais amplo parece uma rosquinha (donut), embora o defletor interno é em forma de disco. Este tipo de defletores forçam o fluido a passar em torno de cada lado do disco, em seguida, através do defletor donut gerando um tipo diferente de fluxo de fluido.
thumb|right|Diagrama conceitual de um trocador de calor placa e quadro thumb|right|Um trocador de calor de placa única
Trocador de calor de placas
Outro tipo de trocador de calor é o trocador de calor de placas. Um deles é composto por placas múltiplas, finas, levemente separadas que têm áreas de superfície muito grande e as passagens de fluxo de fluido de transferência de calor. Este arranjo empilhado de placas pode ser mais eficaz, em um determinado espaço, que o trocador de calor de casco e tubos. Avanços na tecnologia de vedação e brasagem fizeram o permutador de calor do tipo placa cada vez mais prático. Em aplicações HVAC, grandes trocadores de calor deste tipo são chamados placas-e-quadros, quando utilizados em circuitos abertos, estes trocadores de calor são normalmente do tipo vedado permitindo desmontagem, limpeza e inspeção periódica. Existem muitos tipos de trocadores de calor de placa permanentemente ligadas, tais como variedades de placa brasadas por imersão e brasadas a vácuo, e muitas vezes são especificados para aplicações de circuito fechado, como refrigeração. Trocadores de calor de placas também diferem no tipo de placas que são utilizadas, e nas configurações das placas. Algumas placas podem ser carimbados com o "chevron" (forma de insígnia), ou outros padrões, onde outros possam ter aletas e/ou ranhuras usinadas.
Trocador de calor circular adiabático