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,
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
onde
é o coeficiente de convecção do fluido quente,
é sua temperatura no núcleo e
é a temperatura da face interna da parede.
Passo 3
O calor então atravessa a espessura
do material metálico da parede por condução. Pelo modelo de estado estacionário de uma lâmina plana, o fluxo é
sendo
a condutividade térmica do metal e
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
onde
é o coeficiente de convecção do fluido frio e
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
por
e o fluxo total de calor pelo trocador é
onde
é a área de troca e
é a diferença de temperatura média logarítmica entre os dois fluidos.
Passo 6
Para avaliar
escolhe-se o arranjo de fluxo (contracorrente, cocorrente ou cruzado). Em contracorrente,
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
e
. Em operação, monitora-se
,
,
e
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
), condução na parede metálica (condutividade
), e convecção no fluido frio (coeficiente
). Essas resistências definem o coeficiente global
, e a potência térmica é calculada por
, sendo escolhido o arranjo de fluxo (geralmente contracorrente) e medidas de projeto e limpeza (CIP) para manter a eficiência ótima.