Troca Térmica Danfoss

Curso de refrigeração industrial – Parte 11

Conceitos de troca térmica: essa é a 11ª parte do nosso Curso de Refrigeração Industrial.
Acesse o conteúdo antes de continuar a leitura: Parte 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, 09 e 10.

Vamos começar?

Conceitos de troca térmica em refrigeração

Os trocadores de calor realizam as funções primárias dos sistemas de refrigeração, bem como várias funções internas.
Para operação eficiente dos trocadores de calor, é necessário projetar o sistema, construir e controlar de forma adequada.

Troca térmica em refrigeração

Na figura podemos observar os trocadores de calor usados na troca térmica em refrigeração, no sistema de estágio único.
Observe que nem todos são necessários e que os números dos trocadores de calor 7 a 9 nem sempre não usados ao mesmo tempo.
Da mesma forma, não é normal usar todos os tipos de evaporadores, termosifão 1, bombeado 2 e expansão direta 3 no mesmo sistema.

Essas variações são incluídas aqui para ilustrar todas as variações possíveis.
Todas as válvulas, exceto expansão, não aparecem para termos maior clareza.
Continue lendo nosso texto sobre troca térmica em sistemas de refrigeração.

Evaporador Termosifão

Este tipo é um evaporador inundado significando que mais refrigerante circula do que evapora.
Por causa disso, o fluxo de saída é uma mistura de gás e liquido.
Portanto, retorna-se a um separador para garantir que um gás de sucção seco seja alimentado de volta ao compressor.
Alimenta-se o evaporador termosifão com líquido por meio de circulação natural.

Evaporador Bombeado

Este tipo também é um evaporador inundado mas em comparação com o termosifão ele usa uma bomba para alimentar o líquido ao evaporador.
Muitas vezes são refrigerantes de ar que se localizam em tal forma que a operação do termosifão não é possível.
Por exemplo, longe do compressor ou separador em uma câmara fria ou túnel de congelamento.

Evaporador de expansão direta

Evaporador alimentado com liquido de alta pressão através de uma válvula de expansão.
O retorno do refrigerante do evaporador é totalmente evaporado, sem nenhum líquido.
Dessa forma pode retornar diretamente ao compressor.

Resfriador de óleo

Os compressores de parafuso requerem resfriamento de óleo e o resfriador de óleo executa essa tarefa.
Os resfriadores de óleo podem ser resfriados a glicol ou água como na figura anterior ou resfriador de óleo termosifão que evaporam o liquido do condensador para resfriar o óleo.

O líquido que evapora é devolvido à linha de descarga do compressor antes de condensador para ser recondensado. Os resfriadores de óleo resfriador por água costumam fazer parte de um sistema de recuperação de calor.

Dessuperaquecedor

O dessuperaquecedor resfria o gás de descarga do compressor antes de entrar no condensador.
Geralmente para uso em um sistema de recuperação de calor.
As temperaturas mais altas no dessuperaquecedor permitem uma temperatura de recuperação de calor mais alta do que é possível no condensador.

Condensador

O condensador resfria o gás de descarga do compressor e o condensa em líquido.
Os condensadores podem ser condensadores evaporativos, condensadores resfriador a ar ou trocadores de calor resfriado a água ou glicol, conforme mostrado aqui.
O calor que se fornece ao circuito de glicol ou água pode ser disperso por uma torre de resfriamento ou usado em um sistema de recuperação de calor.

Sub resfriador

O sub resfriador resfria o líquido condensado usando água, glicol ou ar.
Com um líquido mais frio sendo passado para o lado de baixa pressão, a capacidade do compressor aumenta. Frequentemente, os sub resfriadores fazem parte de um sistema de recuperação de calor.

Economizer

Os compressores de parafuso geralmente têm uma entrada adicional, a porta do economizer.
Ela permite que se alimente o refrigerante após o início da compressão.

Como tal, se pode usar para comprimir refrigerante adicional a uma pressão inicial acima da pressão de evaporação. Sem comprometer a capacidade do compressor a pressão de evaporação.

Geralmente existem dois tipos de economizers, o economizer aberto que não está sendo mostrado e o economizer fechado.
O economizer aberto é um recipiente simples, sem trocadores de calor, portanto, não vamos abordar aqui.
O economizer resfria ainda mais o líquido condensado, aumentando a capacidade do compressor da mesma forma que um sub resfriador.
Realiza-se o resfriamento por flash e evaporação de parte do líquido do condensador.
Passa-se esse gás para a porta do economizer do compressor.

Super aquecedor

As vezes chamado de super aquecedor de sucção, este trocador de calor aquece o gás de sucção para o compressor para garantir que nenhum líquido seja alimentado no compressor.
Como fonte de calor, usa-se o liquido do condensador.

Visto que o superaquecimento do gás de sucção do compressor diminui a densidade do gás, o fluxo de massa do compressor cai, mas o sub resfriamento do líquido do condensador compensa isso.
Dependendo do refrigerante e das condições de operação, pode resultar em uma mudança total na capacidade, tanto positiva quanto negativa, mas geralmente está muito perto do ponto de equilíbrio.

Carga lateral

Não é incomum adicionar um evaporador a um economizer.
Permitindo assim que o resfriamento externo se realize em um nível de temperatura adicional, superior a temperatura de evaporação. Isso se chama frequentemente de carga lateral.

temperatura de evaporação

Na figura observamos um evaporador termosifão 3 se aciona ao economizer 2.
Aqui montamos diretamente após o condensador 1.
Para todos os efeitos práticos, se pode tratar este evaporador como um evaporador termosifão normal.
A operação com bomba do economizer também é uma opção.


Intercooler

Em sistemas de dois estágios, um intercooler também conhecido como resfriador entre estágios, resfria o gás de descarga do compressor de estágio baixo antes de entrar no compressor de estágio alto.

Se não for resfriado, a alta temperatura do gás de sucção para o compressor de estágio alto resultada em uma temperatura de descarga excessivamente alta para este compressor durante a troca térmica.
O resfriamento do gás se realiza frequentemente borbulhando-o com injeção de líquido, resfriando-o até próximo a saturação.
Dessa forma que os economizers, o intercooler se abre ou fecha, onde o tipo aberto não envolve o dispositivo de troca térmica.

Resfriador entre estágios
Resfriador entre estágios evaporador

O intercooler pega o líquido refrigerante do condensador 1 e o resfria ainda mais no dispositivo de troca térmica de calor do intercooler 2, usando o liquido do condensador enviado para o vaso.

Observe que o líquido flash se usa também para dessuperaquecer o gás de descarga do compressor de estágio inferior, fazendo-o borbulhar em um banho de líquido.
Outras formas possíveis de dessuperaquecer o gás de descarga é a injeção de líquido no tubo de descarga do compressor de baixa pressão ou em um trocador de calor de resfriamento externo.

O primeiro método se deve controlar com cuidado para evitar a entrada de líquido na sucção do compressor de estágio alto. Geralmente, o método de borbulhamento é o mais comum.

Da mesma forma que no economizer, pode-se adicionar um trocador de calor para fornecer uma função de refrigeração na pressão intermediária. Seja por meio de operação de termosifão ou operação com bomba.
Como alternativa, se pode adicionar um separador em paralelo com o intercooler.

Resfriador em cascata

Um resfriador em cascata é a conexão entre os dois circuitos refrigerantes em um sistema em cascata.
Normalmente o refrigerante de baixa temperatura será CO² enquanto o refrigerante de alta temperatura será a amônia.

O resfriador em cascada condensa o CO².

Fornece-se o resfriamento para este processo evaporando a amônia a uma temperatura abaixo da temperatura de condensação do CO².

Temperatura de condensação do CO²

Na imagem o gás de descarga do compressor CO² em 1 é condensado no resfriado em cascata 2 e levado de volta a temperatura de evaporação pela válvula de expansão de CO² em 3.
No lado da amônia se usa o resfriador em cascata como evaporador termosifão para o separador de líquido 4.
Do separador, se comprime o gás gerado pelo compressor de amônia 5.

Normalmente o CO² é condensado a -10 graus e a amônia evapora a -15 graus.
Pode-se considerar a diferença de temperatura no resfriador em cascata uma perda de eficiência.
Por isso recomendamos examinar a mudança no custo operacional (potência do compressor) versus o custo de instalação de um esfriador em cascata maior, que opera por exemplo a 3 graus de diferença de temperatura.


Circuito intermediário:

Também não é incomum ter um circuito intermediário entre o evaporador e um produto.

circuito intermediário evaporador

Em caso de vazamento no evaporador 1, o refrigerante pode contaminar o lado secundário.
Se o lado secundário for um produto como cerveja ou leite, o produto será destruído.
Assim, resfria-se o produto em um trocador de calor secundário 2.
Esse resfria-se pela água ou glicol resfriados no evaporador 1, de forma que se garante a segurança do produto.


Fundamentos da troca térmica

Os trocadores de calor utilizam diferenças de temperatura para mover o calor.
Colocamos dois fluxos de fluído em contato próxima em cada lado de uma parede ou tubo.
Isso permite que a energia, na forma de calor, viaje através da parede ou tubo do lado quente para o lado frio.

A troca de calor, tanto ganho quanto perda, leva a mudanças na mídia em ambos os lados.
No caso de uma única fase, como liquido ou gás, isso leva a uma mudança de temperatura.
Nos evaporadores a troca de calor leva a evaporação do líquido refrigerante e nos condensadores a troca térmica de calor leva a condensação do gás do refrigerante.

Em trocadores de calor para sistemas de refrigeração, se transfere o calor normalmente de gás ou ar para um refrigerante líquido ou refrigerante de mudança de fase.
Dois tipos de transferência de calor são vistos nestes casos.

Condução:

Quando se transfere o calor através de um material sólido, por exemplo, através da parede de um tubo de metal, ou quando a troca térmica e o calor é transferido entre dois materiais sólidos através do contato como em um trocador de placas.

Convecção:

Quando o calor é transferido entre um líquido, gás ou refrigerante de mudança de fase e um material sólido.
Por exemplo, evaporar o fluxo de refrigerante através dos tubos do evaporador e o calor é transferido da parte do tubo para o refrigerante de evaporação durante a troca térmica.


Coeficiente de transferência de calor

O coeficiente geral de transferência de calor, descreve quão bem se transfere o calor na troca térmica.
O coeficiente geral de transferência de calor depende das propriedades de fluxo para o meio aquecido e o meio resfriado no trocador de calor, o tamanho da parede ou tubo e sua condutividade térmica, bem como fatores como incrustação.

Para fluxos monofásicos de água, glicol, vapor ou líquido refrigerante, o coeficiente de transferência de calor depende das propriedades do fluido que geralmente são um dado fator e da velocidade do fluido no dispositivo de troca térmica de calor.
Uma velocidade mais alta fornece um coeficiente de transferência de calor mais alto, mas também resulta em uma perda de pressão maior.

Os fluxos de líquido geralmente tem os coeficientes de transferência de calor mais altos.

Para a evaporação, o coeficiente de transferência de calor depende das propriedades do refrigerante.
Bem como do fluxo de calor, e do método de operação se é inundado ou de expansão direta.
Além de vários parâmetros como a taxa de circulação ou o superaquecimento.

Para condensação é quase o mesmo, embora com parâmetros diferentes.
Frequentemente, não há muito que um projetista de trocadores de calor possa fazer sobre os coeficientes de transferência de calor por evaporação e condensação.

A incrustação é um valor dado pelo projetista que expressa a sujeita como óleo e outros, que adiciona resistência a transferência de calor ou troca térmica.
Este valor basea-se muito na experiência com um valor real dependendo do tipo de fluido, como água limpa ou água de rio por exemplo. O último possui um potencial de contaminação muito maior que o primeiro.

A contaminação de refrigerantes de óleo também é uma fonte de incrustação.

A incrustação indica-se geralmente para cada lado do dispositivo de troca térmica.
Finalmente, as propriedades da parede entre os dois lados se fornecem geralmente pelo trocador de calor através dos materiais e da construção selecionados.

Todos esses fatores se combinam para formar o coeficiente de transferência de calor total.

  • Vale ressaltar que é o lado com o menor coeficiente de transferência de calor, que é a maior resistência a transferência de calor, o que domina o coeficiente total de transferência de calor.

Por exemplo, um evaporador com velocidade muito baixo no lado da água ou glicol terá um coeficiente de transferência de calor baixo nesse lado, então o lado evaporativo pode ser basicamente muito alto, sem qualquer diferença significativa na transferência de calor geral.

Superfície de transferência de calor

A área de transferência de calor nem sempre é tão simples quanto parece.
Em muitos trocadores de calor, a superfície disponível para os dois lados não é a mesma.

Por exemplo, em trocadores de calor de casco e tubo, a superfície do tubo interno e externo não é a mesma decido a diferença do diâmetro, espessura da parede, ou ao uso de superfície estendida, por exemplo aletas.
Este é um fator que afeta o coeficiente geral de transferência de calor e é importante, ao fazer o cálculo, para garantir que a área usada esteja de acordo com a correção do coeficiente geral de transferência de calor.
Em casos como os dos trocadores de calor a placas, a área é a mesma dos dois lados e, portanto, apresenta poucos problemas no cálculo.


Diferencial de temperatura

O diferencial de temperatura é a força motriz de um trocador de calor, pois o calor flui do lado quente para o lado frio. No entanto, como as temperaturas dos fluxos mudam, nem sempre é aparente qual é a diferença de temperatura em um determinado ponto.

Diferencial de temperatura

Por exemplo, dois fluxos de água entram em um trocador de calor do mesmo lado com temperaturas de 70 e 10 graus respectivamente.
O fluxo de água quente tem o dobro da vazão de volume do fluxo de água fria.

Na imagem o eixo vertical e o caminho relativo percorrido pela vazão através do trocador de calor em %, portanto 0% é a entrada, 50% é a metade e 100% é a saída.

Uma vez que a vazão de água quente é duas vezes a vazão de água fria, uma temperatura de equilíbrio de 50 graus seria alcançada se os fluxos fossem misturados.
Podemos observar na imagem que os fluxos se aproximam de 50 graus na saída.
A taxa de mudança de temperatura para os fluxos através do trocador de calor deve ser observada.

Na entrada, a transferência de calor é alta, pois a temperatura muda muito.

Conforme os fluxos são aquecidos ou resfriados, a diferença de temperatura diminui e a transferência de calor é reduzida.

Na saída, os fluxos estão quando na mesma temperatura, mas as temperaturas mudam muito pouco desde cerca de 80% até a saída, devido a baixíssima transferência de calor na pequena diferença de temperatura.
Se o trocador de calor fosse infinitamente grande, as temperaturas dos fluxos atingiriam 50 graus.

Esta figura ilustra o problema de determinar qual é a diferença real de temperatura, uma vez que a diferença varia de 60 graus na entrada até 1,5 graus na saída.
A solução é utilizar uma diferença de temperatura média logarítmica, conhecida como LMTD, que compensa as mudanças de temperatura.


Cocorrente e contracorrente

São termos que se referem a direção dos fluxos em um trocador de calor em relação ao outro.

Cocorrente:

Um trocador de calor com fluxo de cocorrente tem o fluxo quente e frio para fluir na mesma direção, a imagem anterior é um trocador de calor em cocorrente.
Por ter os fluxos na mesma direção, se alcança uma alta transferência de calor ao redor da entrada do trocador de calor.

No entanto, para um trocador de calor cocorrente, não se pode resfriar o fluxo do lado quente abaixo da temperatura de saída do fluxo do lado frio e vice-versa. O fluxo do lado frio não se pode aquecer acima da temperatura de saída do fluxo do lado quente.

Contracorrente:

Um trocador de calor de fluxo contracorrente tem o fluxo quente e frio em direções opostas, de modo que se coloca a entrada do lado frio na saída do lado quente. Um trocador de calor em contracorrente pode resfriar o lado quente abaixo da saída do lado frio, uma vez que a saída do lado quente transfere calor para a entrada do lado frio e vice-versa.

trocador de calor de fluxo contracorrente

Na imagem podemos observar o mesmo exemplo de antes, mas agora com um trocador de calor em contracorrente ao invés de cocorrente.
Vê-se que a queda de temperatura para o lado quente é de 25 graus enquanto foi de 20 para a cocorrente.
Isso significa que se transfere mais calor nesta situação, com o resultado que o trocador de calor contracorrente é mais eficiente do que a cocorrente e, portanto, a contracorrente tem maior capacidade.

Neste caso, a corrente fria se pode aquecer a 60 graus e a corrente quente pode se resfriar a 45 graus.

Todos os outros parâmetros são iguais.
A diferença é que o LMTD é mais alta a 20 graus, cerca de 25% do qual também se reflete diretamente na capacidade.
Como a conclusão o trocador de calor contrafluxo é muito mais eficiente do que um cocorrente.

Visualmente, a diferença do LMTD pode ser vista como a área entre as duas curvas.
Embora a cocorrente comece com uma alta diferença de temperatura, ela cai rapidamente para perto de zero, enquanto a contracorrente mantêm uma grande diferença em todo o trocador de calor.


Ponto de aperto

O ponto de aperto é o ponto no trocador de calor onde a diferença de temperatura é mínima.
Isso significa que o ponto de aperto é o fator limitante para o trocador de calor em relação à capacidade.

Para os dois exemplos mostrados acima, o trocador de calor em cocorrente na imagem tem uma diferença de temperatura de ponto de aperto de 1,5 gruas, enquanto no trocador de contracorrente é de 10 graus.

Uma diferença de temperatura no ponto de aperto excessivamente alta não é desejável pois isso significa que o trocador de calor é muito grande e a sua capacidade não é utilizada de forma otimizada.
A diferença de temperatura do ponto de aperto é um parâmetro que normalmente é investigado ao dimensionar um trocador de calor para otimizar o desemprenho.
Normalmente é uma troca entre eficiência, custo e capacidade.


Condensadores

Em um trocador de calor com mudança de fase, é um pouco mais complexo.
Durante a mudança de fase, o refrigerante permanecerá em uma temperatura constante, ou temperatura constante para misturas de refrigerante, quando a mudança de fase ocorrer.
A imagem mostra um esboço da condensação da amônia em um trocador de calor.

trocador de calor com mudança de fase

A amônia entra no trocador de calor na temperatura de descarga do compressor, que foi definida para 80 graus neste exemplo.
O gás é resfriado até atingir a temperatura de saturação, aqui 35 graus, onde começa a condensação.
Enquanto ocorre a condensação a temperatura permanece na temperatura de saturação.

No final, tudo é condensado e ocorre um pequeno subresfriamento.

Do lado da água, a água entra a 10 graus e é aquecida até perto da temperatura de condensação com uma capacidade que diminui gradualmente à medida que a diferença de temperatura diminui.

Antes do final, a água entra na área onde o gás de descarga quente é resfriado e a água recebe um pequeno impulso com o aumento da diferença de temperatura.
Mas o diagrama ilustra um ponto chave no projeto do condensador, olhando para a temperatura de entrado do refrigerante de 80 graus, seria fácil esperar uma temperatura de saída de água talvez de 60 graus, o que seria muito bem-vindo em sistemas de recuperação de calor.

Porém, no início do processo de condensação, em torno de 8% no diagrama visto anteriormente, a temperatura da água está muito próxima a temperatura de condensação.

Este é o ponto de aperto onde as temperaturas no trocador de calor, limitam o seu desempenho.

A temperatura da água aumenta aproximadamente 25 graus na amostra do condensador.
Mas, se uma temperatura de saída da água de 60 graus fosse desejada, por exemplo, um aumento de 50 graus seria intuitivo reduzir o fluxo de água pela metade.
No entanto, isso resulta em um perfil de temperatura abaixo do padrão, conforme figura.

Temperaturas na troca térmica

Claramente, a temperatura da água se aproxima da temperatura de condensação mais rapidamente, mas é incapaz de, nessa troca térmica, aquecer mais, pois a diferença de temperatura cai para quase zero.

Como a diferença de temperatura entre 8% e 30% do caminho é de aproximadamente 0, não há efetivamente nenhuma transferência de calor da amônia para a água naquela parte do trocador de calor.

Conforme o fluxo de água entra na zona de superaquecimento, ele aquece até cerca de 38 graus.

Mais quente do que antes, mas como meio fluxo.
Como resultado, a capacidade de condensação é reduzida para cerca de 55% do exemplo que demos anteriormente. O ponto de aperto limitou a transferência de calor em uma grande parte do condensador que é essencialmente desperdiçada.

A conclusão é que o LMTD geral que se concentra nas diferenças de temperatura de entrada e saída não é suficiente para descrever a situação real.
Usando as temperaturas de entrada e saída, o LMTD é calculado para 29,76 graus para o primeiro exemplo de condensação.

No entanto, se o trocador de calor for dividido em seções de acordo com as 3 situações diferentes no lado da condensação um LMTD mais preciso pode ser calculado usando o LMTD para cada seção.

Na seção de superaquecimento o LMTD é de 7,77 graus, na seção de condensação é de 4,98 graus e na seção de subresfriamento é de 22,09 graus.
Uma vez que o superaquecimento é responsável por 11,3% da capacidade total, a condensação 86,4% e o sub resfriamento por 2,4% um LMTD ponderado escalado de acordo com isso é de 5,70 graus, que é aproximadamente 20% do cálculo geral.

Neste exemplo, que se concentra nas temperaturas, o coeficiente de transferência de calor foi definido como um valor constante. Na vida real, o coeficiente de transferência de calor do superaquecimento é muito menor do que nas zonas de condensação e sub resfriamento, de modo que a área usada para o superaquecimento precisaria ser maior.


Conceito de troca térmica em Evaporadores

Em um evaporador inundado, a temperatura do lado de evaporação é constante em todo o trocador de calor.
Com este comportamento simples de ambos os lados o LMTD geral dá uma imagem suficientemente boa da diferença de temperatura.

Observe que, do ponto de vista da temperatura, não importa se o refrigerante ou a salmoura fluem na mesma direção ou em direções opostas. No entanto, é a norma ter os fluxos na mesma direção para iniciar a evaporação com a maior diferença possível de temperatura.

evaporador inundado

No entanto, em um evaporador de expansão direta a temperatura de evaporação permanece constante até que todo o refrigerante seja evaporado e então o gás é superaquecido até a temperatura de saída.

evaporador de expansão direta

Novamente, uma simples consideração do LMTD a partir das temperaturas de entrada e saída não mostra a situação real. Usando essas temperaturas, o LMTD é 3,75 graus, enquanto fazendo uma divisão semelhante ao exemplo do condensador, o LMTD ponderado é de 5,70 graus, aproximadamente 50% mais alto.

Como o problema do ponto de aperto no condensador, a criação de superaquecimento no evaporador pode ser um problema se as temperaturas estiverem muito próximas.

É claro que a temperatura de saída do lado quente não pode ficar abaixo da temperatura de evaporação.

Mas, também é necessário ter diferença de temperatura suficiente na extremidade de entrada para criar superaquecimento.

Um superaquecimento suficientemente grande é essencial para garantir que o fluxo de refrigerante para o compressor esteja sempre sem líquido.

Normalmente o superaquecimento está na faixa de 5 a 10 graus.
No perfil de temperatura mostrado o evaporador de expansão direta do exemplo anterior teve sua temperatura de evaporação elevada de 2 para 6 graus.

temperatura mostrado o evaporador de expansão direta

Obviamente, o evaporador tem dificuldade em criar superaquecimento e, como tal, não é seguro.
Estas são as operações básicas dos trocadores de calor, mas existem muitas variações.
O fluxo cruzado é onde os dois fluidos não são nem co nem contracorrente, mas sim perpendiculares entre si.

Da mesma forma, os trocadores de calor, podem ter várias passagens em um ou ambos os lados, onde os fluxos mudam de direção.
Essas variações requerem uma aplicação cuidadosa das funções LMTD para expressar adequadamente a diferença real de temperatura.

Limitações para trocadores de calor

Conforme mencionado, a transferência de calor é composta por 3 partes, transferência de calor no lado do refrigerante, transferência de calor através da parede e transferência de calor no lado da água.
A incrustação é ignorada neste exemplo e imagem.

Limitações para troca térmica

Além das limitações relacionadas a diferença de temperatura acima, algumas outras questões precisam ser abordadas para garantir a operação segura e eficiente nessa troca térmica.

O congelamento da salmoura ou da água é o maior risco, pois tem o potencial de destruir o trocador de calor.
À medida que a água se expande quando congela as forças libertas, são suficientes para quebrar o metal das placas do trocador de calor.

Considerando uma aplicação onde se deseja resfriar a água a 2 graus, usando refrigerante que evapora a -2 graus, as temperaturas envolvidas podem ser iguais as apresentadas na figura anterior.

Qualquer transferência de calor precisa de uma diferença de temperatura como força motriz.

Dessa forma, a temperatura da parede do lado da água seja mais baixo do que a temperatura do volume da água.
A temperatura da parede do lado do refrigerante seja mais baixa do que do lado da água e finalmente a temperatura do refrigerante é inferior a temperatura da parede no lado do refrigerante.

As diferenças reais de temperatura podem ser calculadas a partir do coeficiente de transferência de calor nos dois lados do fluido, da condutividade de calor e da espessura da parede.

O valor mais importante é a temperatura da parede do lado da água, que no exemplo está 0,5 graus que é acima, mas perto do ponto de congelamento.

Seria tentador operar com uma temperatura de evaporação mais baixa, uma vez que a diferença de temperatura maior significaria um trocador de calor menor e mais barato.
No entanto a temperatura de evaporação mais baixa altera as temperaturas das paredes em ambos os lados.

troca térmica temperatura de evaporação

Nesta imagem a diferença de temperatura entre a temperatura de evaporação e a temperatura de saída de água dobrou de 4 para 8 graus.

Com a suposição de que os coeficientes de transferência de calor são constantes.
Isso efetivamente, dobra toda as diferenças de temperatura.
Consequentemente a temperatura da parede do lado da água agora é de -1 grau e o trocador de calor certamente congelará.

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