Explique:
Explique como ocorre o processo de troca de calor em um equipamento de trocador de calor no processo de aquecimento de fluidos em uma indústria de alimentos,

Passo 1

O enunciado pede para descrever como, num trocador de calor usado para aquecer um fluido na indústria de alimentos, ocorre a transferência de calor de um fluido quente para um fluido frio. Para isso vamos usar os conceitos de convecção nos fluidos, condução através da parede metálica do trocador, definição de coeficiente global de transferência de calor e o método da diferença de temperatura média logarítmica.

Passo 2

No lado do fluido quente que libera calor, forma-se uma camada limite de fluido junto à parede do trocador. A perda de energia térmica acontece por convecção, com fluxo de calor por unidade de área dado por
q''_{\text{conv, quente}} = h_{\text{q}}\,\bigl(T_{\text{q,\infty}} - T_{\text{w}}\bigr)
onde h_{\text{q}} é o coeficiente de convecção do fluido quente, T_{\text{q,\infty}} é sua temperatura no núcleo e T_{\text{w}} é a temperatura da face interna da parede.

Passo 3

O calor então atravessa a espessura \delta do material metálico da parede por condução. Pelo modelo de estado estacionário de uma lâmina plana, o fluxo é
q''_{\text{cond}} = \frac{k}{\delta}\,\bigl(T_{\text{w}} - T_{\text{w,c}}\bigr)
sendo k a condutividade térmica do metal e T_{\text{w,c}} a temperatura da face externa da parede.

Passo 4

No lado do fluido frio que recebe calor, também há convecção. O fluxo convectivo do calor na face externa da parede até o núcleo do fluido frio é
q''_{\text{conv, frio}} = h_{\text{f}}\,\bigl(T_{\text{w,c}} - T_{\text{f,\infty}}\bigr)
onde h_{\text{f}} é o coeficiente de convecção do fluido frio e T_{\text{f,\infty}} é sua temperatura média de fluxo.

Passo 5

Como as três resistências (convecção quente, condução, convecção fria) estão em série, define-se o coeficiente global de transferência de calor U por
\frac{1}{U} = \frac{1}{h_{\text{q}}} \;+\;\frac{\delta}{k}\;+\;\frac{1}{h_{\text{f}}}
e o fluxo total de calor pelo trocador é
\dot Q = U \,A\,\Delta T_{\mathrm{lm}}
onde A é a área de troca e \Delta T_{\mathrm{lm}} é a diferença de temperatura média logarítmica entre os dois fluidos.

Passo 6

Para avaliar \Delta T_{\mathrm{lm}} escolhe-se o arranjo de fluxo (contracorrente, cocorrente ou cruzado). Em contracorrente,
\Delta T_{\mathrm{lm}} = \frac{\bigl(T_{\text{q,in}} - T_{\text{f,out}}\bigr) - \bigl(T_{\text{q,out}} - T_{\text{f,in}}\bigr)}% {\ln\!\bigl[\bigl(T_{\text{q,in}} - T_{\text{f,out}}\bigr)/\bigl(T_{\text{q,out}} - T_{\text{f,in}}\bigr)\bigr]}
isso maximiza o gradiente térmico, melhorando a transferência.

Passo 7

No projeto, escolhe-se a geometria (tubos, placas), as velocidades dos fluidos e as características de limpeza (CIP) para minimizar o acúmulo de sujeira (fouling), que reduz h_{\text{q}} e h_{\text{f}}. Em operação, monitora-se T_{\text{q,in}}, T_{\text{q,out}}, T_{\text{f,in}} e T_{\text{f,out}} para verificar a eficiência térmica e programar a manutenção antes que a sujeira comprometa a produção.

Resposta

Em um trocador de calor industrial de alimentos o calor passa do fluido quente para o frio através de três etapas em série: convecção no fluido quente (coeficiente h_{\text{q}}), condução na parede metálica (condutividade k), e convecção no fluido frio (coeficiente h_{\text{f}}). Essas resistências definem o coeficiente global U, e a potência térmica é calculada por \dot Q = U A \Delta T_{\mathrm{lm}}, sendo escolhido o arranjo de fluxo (geralmente contracorrente) e medidas de projeto e limpeza (CIP) para manter a eficiência ótima.

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