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O coeficiente global de transferência de calor, ou valor U, refere-se à forma como o calor é conduzido através de uma série de meios resistentes. As suas unidades são o W/(m2°C) .
Vapor vs. Água Quente
O artigo seguinte demonstra como calcular e comparar o valor U para a transferência de calor de vapor e água quente através de diferentes tipos de meios, incluindo coeficientes de película e o próprio material da parede.
O coeficiente global de transferência de calor é influenciado pela espessura e condutividade térmica dos meios através dos quais o calor é transferido. Quanto maior for o coeficiente, mais fácil é a transferência de calor da sua fonte para o produto que está a ser aquecido. Num permutador de calor, a relação entre o coeficiente global de transferência de calor (U) e a taxa de transferência de calor (Q) pode ser demonstrada através da seguinte equação:
where
Q = taxa de transferência de calor, W=J/s
A = área de superfície de transferência de calor, m2
U = coeficiente global de transferência de calor, W/(m2°C)
ΔTLM = diferença de temperatura média logarítmica, °C
Desta equação pode-se ver que o valor U é directamente proporcional a Q, a taxa de transferência de calor. Assumindo que a superfície de transferência de calor e a diferença de temperatura permanecem inalteradas, quanto maior o valor U, maior é a taxa de transferência de calor. Por outras palavras, isto significa que para um determinado permutador de calor e produto, um valor U mais elevado poderia levar a tempos de lote mais curtos e a um aumento da produção/receita.
Cálculo do valor U
Equações transversais podem ser usadas para determinar o valor U, uma das quais é:
/p>
where
h = coeficiente de transferência de calor por convecção, W/(m2°C)
L = espessura da parede, m
λ = condutividade térmica, W/(m°C)
Transferência de calor através de uma parede metálica
No caso da criação de água quente, por exemplo, a transferência de calor ocorre basicamente do fluido 1 (fonte de calor) através de um sólido condutor (parede metálica) para o fluido 2 (água, o produto a ser aquecido). No entanto, a resistência do filme também deve ser considerada. É por isso que o coeficiente de transferência de calor convectivo (h), por vezes referido como coeficiente de película, é incluído no cálculo da transferência de calor entre um fluido e uma parede condutora.
Adicionalmente, em certas aplicações únicas como o aquecimento de processos farmacêuticos ou biotecnológicos, essa transferência de calor pode ocorrer através de várias camadas de material de parede. Nesses casos, a equação acima pode ser adaptada incorporando cada camada da espessura do sólido (L) dividida pela sua condutividade térmica (λ).
Para facilitar os cálculos de exemplo abaixo, os seguintes valores podem ser utilizados como referência para os coeficientes de transferência de calor convectivos:
| Fluid | |
|---|---|
| cerca de 1000 W/(m2 °C) | |
| Água quente | 1000 – 6000 W/(m2 °C) |
| Steam | 6000 – 15000 W/(m2 °C) |
Exemplo efeito comparativo em U de diferentes fontes de calor, vapor ou água quente
Duas chaleiras revestidas de aço carbono (λ = 50 W/(m °C) ) com uma espessura de parede interior de 15mm são utilizadas para aquecer água. Uma utiliza água quente como fonte de calor, enquanto a outra utiliza vapor. Assumindo coeficientes de transferência de calor de 1000 W/m2 °C para a água a ser aquecida, 3000 W/m2 °C para água quente, e 10000 W/m2° C para vapor, vamos calcular os valores U para ambos os processos de aquecimento.
Chaleira revestida de aço-carbono – Comparando Água Quente vs. Fonte de Calor de Vapor
Água quente:
Steam:
Neste caso, o vapor fornece uma melhoria calculada do valor U de 17%.
Agora imagine que a mesma parede de transferência da chaleira é também revestida com vidro de 1mm de espessura (λ = 0,9 W/(m °C) ). A inclusão destes valores na equação do valor U acima fornece os seguintes resultados:
Glass-Lined Jacketed Kettle – Comparing Hot Water vs. Fonte de calor a vapor
Água quente:
Vapor:
Neste caso de resistência adicional à condutividade, o valor U é ainda melhorado, mas apenas em 9%; e isto demonstra como um condutor térmico pobre como o vidro pode interferir grandemente com a transferência de calor.
Assim, para certos equipamentos de troca de calor, tais como uma chaleira de aço de carbono, mudar a fonte de calor de água quente para vapor pode potencialmente melhorar significativamente o valor U e a transferência de calor se o material da parede for altamente condutivo. Contudo, o mesmo efeito dramático não é esperado nos casos em que um permutador de calor com várias camadas de parede incluindo camadas de material que não são altamente condutoras (como uma chaleira de vidro) é utilizado.
Não obstante, alguns processos requerem um certo material de parede, como o revestimento de vidro, para evitar a reactividade com o produto. Mesmo assim, a taxa de transferência de calor pode ainda ser melhorada em tais circunstâncias, alterando a fonte de calor de água quente para vapor para optimizar a produção.
Advanced Understanding
Fouling
Fouling da superfície do material da parede pode representar uma barreira adicional à transferência de calor. Este problema pode ocorrer tanto no lado do meio de aquecimento como no lado do produto, por múltiplas razões. Algumas causas podem ser depósitos de partículas no lado do aquecimento, e temperaturas excessivamente altas ou baixas no lado do produto.
Por exemplo, a pressão de vapor é por vezes aumentada para criar a pressão necessária para empurrar a condensação através da válvula de controlo de saída num pote de nível. No entanto, com um aumento da pressão dentro do permutador de calor, a temperatura do vapor aumenta em conformidade, e este calor excessivo pode causar um aumento de sujidade no lado do produto. Pelo contrário, se se permitir a acumulação de condensado dentro do equipamento, a sujidade pode ser causada no lado do aquecimento pelos detritos enterrados no condensado agrupado, e no lado do produto por temperaturas mais baixas que fazem com que o produto se torra sobre a superfície quando a viscosidade do produto necessária não é mantida.
Fouling pode ser adicionado à equação acima, incluindo a relação da sua espessura (LF) sobre a sua condutividade (λF), da mesma forma que o revestimento de vidro foi adicionado acima, mas é tipicamente incorporado e expresso como um factor de sujidade para um permutador que tenha estado “em serviço”. Normalmente, os cálculos para comparar a redução em U são para o serviço limpo versus em serviço.
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