O artigo a seguir demonstra como calcular e comparar o valor U para a transferência de calor de vapor e água quente por meio de diferentes tipos de meios, incluindo coeficientes de filme e o próprio material da parede real.

O coeficiente geral de transferência de calor é influenciado pela espessura e condutividade térmica dos meios através dos quais o calor é transferido. Quanto maior o coeficiente, mais facilmente o calor é transferido de sua fonte para o produto sendo aquecido. Em um trocador de calor, a relação entre o coeficiente de transferência de calor geral (U) e a taxa de transferência de calor (Q) pode ser demonstrada pela seguinte equação:

onde

A partir dessa equação, pode-se ver que o valor U é diretamente proporcional a Q, a taxa de transferência de calor. Supondo que a superfície de transferência de calor e a diferença de temperatura permaneçam inalteradas, quanto maior o valor U, maior a taxa de transferência de calor. Em outras palavras, isso significa que para um determinado trocador de calor e produto, um valor U mais alto pode levar a tempos de lote mais curtos e aumento da produção / rendimento.

Várias equações podem ser usadas para determinar o valor U e uma delas é a seguinte:

onde

h = coeficiente de transferência de calor por convecção, W/(m²°C) [Btu/(hr-ft²°F)]
L = espessura da parede, m [ft]
λ = condutividade térmica, W/(m°C) [Btu/(hr-ft°F)]

No caso de produção de água quente por exemplo, a transferência de calor ocorre basicamente do fluido 1 (fonte de calor) através de um condutivo sólido (parede metálica) para o fluido 2 (água, o produto a ser aquecido). Entretanto, a resistência de filme deve ser também considerada. Esta é a razão porque o coeficiente de transferência convectiva de calor (h), algumas vezes referido como o coeficiente de película, é incluído quando se calcula a transferência de calor entre um fluido e uma parede condutiva.

Além disso, em certas aplicações específicas como no aquecimento em processos farmacêuticos ou biotecnológicos, essa transferência de calor ocorre através de várias camadas do material da parede. Nesses casos, a equação acima pode ser adaptada por incorporação de cada camada da espessura do sólido (L) dividida por condutividade térmica (λ).

Para facilitar os cálculos de exemplo abaixo, os seguintes valores podem ser usados ​​como uma referência para os coeficientes de transferência de calor por convecção:

Exemplos de comparação de efeitos sobre U, de diferentes fontes de calor, vapor ou água quente

Duas caldeiras revestidas de aço carbono (λ = 50 W/(m °C) [28,9 Btu/(hr-ft °F)]) com uma parede interna de espessura 15 mm [0,049 ft] são usadas para aquecer a água. Uma usa água como fonte de calor, enquanto a outra usa o vapor. Assumindo coeficientes de transferência de calor de 1000 W/m² °C [176 Btu/(hr-ft² °F)] para a água a ser aquecida, 3000 W/m² °C [528 Btu/(hr-ft² °F)] para a água quente e 10000 W/m²° C [1761 Btu/(hr-ft² °F)] para o vapor, vamos calcular o valor U de ambos os processos de aquecimento.

Caldeiras Revestidas de Aço Carbono - Comparação de Fontes de Calor Água Quente vs. Vapor

Água quente:

Vapor:

Neste caso, o vapor apresenta um valor U calculado melhorado de 17%.

Agora imagine que a parede de transferência da mesma caldeira é revestida também por vidro de 1 mm [0,0033 ft] de espessura (λ = 0,9 W/(m °C) [0,52 Btu/(hr-ft °F)]). Incluindo estes valores na equação acima de valor U, obtemos os seguintes resultados:

Caldeiras Revestidas com forro de Vidro - Comparação de Fontes de Calor Água Quente vs. Vapor

Água quente:

Vapor:

Neste caso de resistência adicional à condutividade, o valor U é ainda melhorado, mas apenas por 9%. E isto demonstra como um mau condutor térmico como o vidro pode interferir grandemente na transferência de calor.

Assim, para certos equipamentos de troca de calor, como uma caldeira de aço carbono, substituindo a fonte de calor de água quente para o vapor, o valor U pode ser melhorado potencialmente e o calor transferido significantemente, se o material da parede for altamente condutivo. Entretanto, o mesmo efeito dramático não é esperado nos casos onde é usado um trocador de calor com parede de várias camadas incluindo camadas de material que não são altamente condutivas (como a caldeira revestida de vidro).

No entanto, alguns processos requerem um determinado material de parede, como o revestimento de vidro, para prevenir a reatividade com o produto. Mesmo assim, a taxa de transferência de calor pode ser ainda melhorada em tais circunstâncias através da substituição da fonte de calor, de água quente para o vapor, para otimizar a produção.

Incrustação

A incrustação na superfície do material da parede pode representar uma barreira adicional para a transferência de calor. Este problema pode ocorrer em ambos os lados, no lado do meio de aquecimento e no lado do produto, por várias razões. Algumas causas podem ser as deposições de partículas no lado de aquecimento e temperaturas excessivamente altas ou baixas no lado do produto.

Por exemplo, a pressão do vapor às vezes é aumentada para criar a pressão necessária para empurrar o condensado através da válvula de controle de saída em uma panela de nível. No entanto, com um aumento na pressão dentro do trocador de calor, a temperatura do vapor aumenta de acordo, e esse calor excessivo pode causar aumento de incrustação no lado do produto. Por outro lado, se for permitido que o condensado se acumule dentro do equipamento, a incrustação pode ser causada no lado do aquecimento pelos detritos arrastados no condensado acumulado e no lado do produto por temperaturas mais baixas que fazem com que o produto endureça na superfície quando a viscosidade necessária do produto é não mantido.

A incrustação pode ser adicionada à equação acima, por inclusão da taxa de sua espessura (L_F) sobre sua condutividade (λ_F), da mesma maneira como o revestimento de vidro foi adicionado acima, mas normalmennte é incorporada e expressa como um fator de incrustação para um trocador que tenha estado "em serviço". Comumente, os cálculos para comparar a redução no U são para a tarefa limpa contra a tarefa em serviço.