Determinação do coeficiente global de transferência de calor para bancada experimental de trocador de calor casco-tubo

Abstract

Trocadores de calor são equipamentos fundamentais na indústria, promovendo a transferência de energia térmica entre fluidos em diferentes temperaturas, com aplicações que vão desde sistemas HVAC até processos químicos e geração de energia. Entre os diversos modelos existentes, o trocador do tipo casco e tubo se destaca pela robustez, eficiência e versatilidade, sendo amplamente utilizado em refinarias, usinas e indústrias de transformação. A avaliação de seu desempenho envolve, frequentemente, o coeficiente global de transferência de calor (U0), parâmetro que consolida as resistências térmicas presentes no processo e orienta tanto análises experimentais quanto o dimensionamento de novos equipamentos. Este trabalho teve como objetivo determinar, por meio de abordagem teórica e experimental, o coeficiente global de transferência de calor em um trocador de calor do tipo casco e tubo instalado em bancada experimental, tendo a água como fluido de trabalho. A metodologia envolveu a coleta de dados de temperatura e vazão por sensores integrados ao sistema, possibilitando o cálculo de U0 experimental e a comparação com valores teóricos obtidos a partir de correlações clássicas. Os resultados evidenciaram diferenças significativas entre os valores experimentais e teóricos de U0, especialmente nas maiores vazões do fluido frio, atribuídas a simplificações adotadas nos modelos, perdas térmicas não contabilizadas e imperfeições no escoamento. Para reduzir essa discrepância, aplicou-se o fator de correção (F) adequado à configuração de passes do trocador, resultando em valores corrigidos (U0C) mais próximos dos experimentais, principalmente para condições intermediárias de operação. A análise de incertezas, implementada em MATLAB, revelou que a vazão mássica do fluido quente é a principal fonte de variabilidade, respondendo por mais de 88% da variância total, enquanto as incertezas associadas às temperaturas apresentaram contribuição secundária. A comparação com a literatura mostrou que os valores médios de U0 obtidos situam-se dentro da faixa típica de 1,2×103 a 1,8×103 W/m²·K para trocadores de calor casco-tubo operando com água, confirmando a confiabilidade do procedimento experimental, mesmo diante das limitações da instrumentação e do controle de escoamento. Em síntese, o trabalho demonstrou a viabilidade de determinar experimentalmente o desempenho térmico de trocadores casco-tubo em condições reais de operação, validando a metodologia adotada e fornecendo subsídios para futuras investigações e aplicações industriais.

Heat exchangers are essential devices in industry, promoting the transfer of thermal energy between fluids at different temperatures, with applications ranging from HVAC systems to chemical processes and power generation. Among the various existing models, the shell-and-tube heat exchanger stands out for its robustness, efficiency, and versatility, being widely used in refineries, power plants, and processing industries. The performance evaluation often involves the overall heat transfer coefficient (U0), a parameter that consolidates the thermal resistances present in the process and guides both experimental analyses and the design of new equipment. This study aimed to determine, through theoretical and experimental approaches, the overall heat transfer coefficient of a shell-and-tube heat exchanger installed in a laboratory test bench, using water as the working fluid. The methodology included collecting temperature and flow rate data using sensors integrated into the system, allowing the calculation of the experimental U0 and comparison with theoretical values obtained from classical correlations. The results showed significant differences between the experimental and theoretical U0 values, especially at higher cold-fluid flow rates, attributed to simplifications in the models, unaccounted heat losses, and flow imperfections. To reduce this discrepancy, a correction factor (F) appropriate to the exchanger pass configuration was applied, resulting in corrected values (U0C) closer to the experimental results, particularly for intermediate operating conditions. The uncertainty analysis, implemented in MATLAB, revealed that the hot-fluid mass flow rate is the main source of variability, accounting for more than 88% of the total variance, while temperature-related uncertainties had a secondary contribution. Comparison with the literature showed that the average U0 values obtained fall within the typical range of 1.2 × 103 to 1.8 × 103 W/m²·K for shell-and-tube heat exchangers operating with water, confirming the reliability of the experimental procedure despite instrumentation and flow control limitations. In summary, the study demonstrated the feasibility of experimentally determining the thermal performance of shell-and-tube heat exchangers under real operating conditions, validating the adopted methodology and providing a basis for future research and industrial applications.