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Projeto de Trocador de Calor

Neste tutorial você modelará um trocador de calor em contracorrente na GUI Clássica do DWSIM: uma corrente de água quente resfriada por uma corrente de água fria. Diferente de aquecedores e resfriadores (de um lado só), um trocador de calor transfere energia entre duas correntes simultaneamente.

O que você vai aprender

  • Como inserir e configurar um Trocador de Calor a partir da Object Palette
  • Como especificar UA (coeficiente global de transferência de calor x área) e quedas de pressão
  • Como ler LMTD, carga térmica e temperaturas de saída na aba Results
  • A diferença entre os modos de cálculo (Pinch Point, UA, Outlet Temperature)

Pré-requisitos

  • Ter completado Aquecedor e Resfriador
  • Conceito de LMTD: a diferença de temperatura média logarítmica que governa a transferência de calor

Visão Geral do Processo

Um trocador de calor casco-e-tubos é o cavalo de batalha da indústria de processos. Um fluido escoa pelos tubos (lado dos tubos) enquanto outro escoa ao redor dos tubos (lado do casco). O calor é transferido do fluido mais quente para o mais frio.

No escoamento em contracorrente, os dois fluidos escoam em sentidos opostos, o que maximiza a força motriz de temperatura e permite que a saída fria se aproxime da temperatura de entrada quente.

A equação fundamental: Q = U * A * LMTD.

Diagrama de Fluxo do Processo

graph LR
    HI["Hot Inlet<br/>400 K, 3 atm<br/>1 kg/s Water"] --> HX["HX-1<br/>(Heat Exchanger)"]
    CI["Cold Inlet<br/>300 K, 1 atm<br/>2 kg/s Water"] --> HX
    HX -->|Hot out| HO["Hot Outlet<br/>(cooled)"]
    HX -->|Cold out| CO["Cold Outlet<br/>(heated)"]

Parâmetros de Projeto

Parâmetro Lado Quente Lado Frio
Composto Water Water
Temperatura de entrada 400 K 300 K
Pressão 3 atm (304000 Pa) 1 atm (101325 Pa)
Vazão mássica 1,0 kg/s 2,0 kg/s
Queda de pressão 10000 Pa 5000 Pa
Parâmetro do HX Valor
Modo de cálculo Pinch Point
UA Global 2500 W/K
Arranjo de fluxo Contracorrente

Passo a Passo na GUI Clássica

1. Configurar a simulação

File > New Chemical Process Model:

  • Compounds: Water
  • Property Package: Steam Tables (IAPWS-IF97)
  • Clique em Finish

2. Criar as quatro correntes

Arraste quatro Material Streams para o canvas:

  • Hot-In: T = 400 K, P = 3 atm, Mass Flow = 1 kg/s, Water = 1.0
  • Cold-In: T = 300 K, P = 1 atm, Mass Flow = 2 kg/s, Water = 1.0
  • Hot-Out: vazia
  • Cold-Out: vazia

3. Inserir o Trocador de Calor

Arraste um Heat Exchanger da Object Palette para o canvas. Renomeie para HX-1. Clique duas vezes para abrir o Object Editor.

Configuração

  • Calculation Mode: selecione Pinch Point
  • Global UA: 2500 W/K
  • Hot Side Pressure Drop: 10000 Pa
  • Cold Side Pressure Drop: 5000 Pa
  • Counter-Current: marque essa opção

Por que o modo Pinch Point?

O Pinch Point usa a diferença mínima de temperatura (ΔT_min) dentro do trocador para caracterizar a unidade, mais rigoroso do que assumir um U·A constante e alinhado com a prática padrão de projeto. Alternativas no DWSIM incluem LMTD (mais simples, assume Cp constante em ambos os lados) e Specified Outlet Temperature (quando uma das saídas é fixada por restrições de processo).

Por que especificar UA?

UA é o produto do coeficiente global de transferência de calor pela área; representa a capacidade térmica do trocador como um único parâmetro agrupado. Especificar UA fixa um dos graus de liberdade do projeto e permite ao solver calcular a carga térmica e as temperaturas de saída consistentes tanto com o balanço de energia quanto com Q = UA * LMTD.

Configuração do trocador de calor

Conexões

No painel Connections:

  • Hot Side Inlet: Hot-In
  • Hot Side Outlet: Hot-Out
  • Cold Side Inlet: Cold-In
  • Cold Side Outlet: Cold-Out

Conexões do trocador de calor

Convenção lado quente vs lado frio

O DWSIM marca um lado como "quente" e o outro como "frio" por convenção do usuário. Certifique-se de que sua entrada mais quente seja a entrada do lado quente, para que as diferenças de temperatura e o balanço de energia sejam consistentes com o esperado.

4. Resolver

Garanta que F6 esteja LIGADO, clique em Solve. Todos os seis objetos (4 correntes + HX + 0 correntes de energia, já que o HX é interno) ficam verdes.

5. Ler os resultados

Clique duas vezes em HX-1 → aba Results:

  • Heat Duty: deve ser um valor positivo (calor transferido do quente para o frio)
  • LMTD: diferença de temperatura média logarítmica entre as correntes quente e fria
  • Pinch Temperature Difference: ΔT mínimo dentro do trocador

Em seguida, verifique as correntes de saída:

  • Hot-Out Results: temperatura menor que 400 K
  • Cold-Out Results: temperatura maior que 300 K (mas sempre menor que 400 K)

Resultados do trocador de calor

Resultados e Validação

Variável Esperado Unidade
Temperatura de saída do lado quente 320 - 380 K
Temperatura de saída do lado frio 310 - 350 K
Carga térmica > 0 kW
LMTD > 0 K
Balanço de energia Q_quente = Q_frio kW

Resultados esperados

O calor transferido do quente para o frio deve ser igual (conservação de energia). A temperatura de saída do lado frio deve permanecer abaixo da entrada quente (400 K). Como a corrente fria tem o dobro da vazão mássica, ela absorve a mesma energia com um aumento menor de temperatura.

Entendendo os Resultados

O cálculo do trocador de calor envolve balanços de energia acoplados:

  • Lado quente: Q = m_quente * Cp_quente * (T_quente_in - T_quente_out)
  • Lado frio: Q = m_frio * Cp_frio * (T_frio_out - T_frio_in)

A especificação de UA restringe a relação entre Q e o perfil de temperatura através de Q = UA * LMTD. O modo de cálculo Pinch Point encontra o ponto de operação que satisfaz tanto o balanço de energia quanto a equação de UA.

Em operação contracorrente, a saída fria pode se aproximar da temperatura de entrada quente: uma vantagem-chave sobre o fluxo cocorrente (paralelo).

Automatizando Este Tutorial

Arquivos neste repositório

from DWSIM.Automation.FluentAPI import Flowsheet, PropertyPackages, Q

fs = (Flowsheet.Create("HeatExchangerTutorial")
      .WithCompound("Water")
      .WithPropertyPackage(PropertyPackages.SteamTables))

hot_in = (fs.AddMaterialStream("Hot-In")
          .At(Q.Kelvin(400.0), Q.Pascal(304000.0))
          .WithMassFlow(Q.KgPerSecond(1.0)))

cold_in = (fs.AddMaterialStream("Cold-In")
           .At(Q.Kelvin(300.0), Q.Pascal(101325.0))
           .WithMassFlow(Q.KgPerSecond(2.0)))

hot_out = fs.AddMaterialStream("Hot-Out")
cold_out = fs.AddMaterialStream("Cold-Out")

hx = (fs.AddHeatExchanger("HX-1")
      .WithCalculationMode("PinchPoint")
      .WithGlobalUA(2500.0)
      .WithHotSidePressureDrop(10000.0.Pascal())
      .WithColdSidePressureDrop(5000.0.Pascal())
      .ConnectFeed(hot_in, 0)
      .ConnectProduct(hot_out, 0)
      .ConnectFeed(cold_in, 1)
      .ConnectProduct(cold_out, 1))

fs.AutoLayout()
fs.Solve()

print(f"Hot outlet T   = {hot_out.TemperatureK:.2f} K")
print(f"Cold outlet T  = {cold_out.TemperatureK:.2f} K")
print(f"Heat duty      = {hx.HeatDutyKW:.2f} kW")
print(f"LMTD           = {hx.LMTD:.2f} K")

{"jsonrpc":"2.0","id":8,"method":"tools/call","params":{
  "name":"dwsim.unitop.add",
  "arguments":{
    "flowsheet_id":"<ID>","type":"HeatExchanger","name":"HX-1",
    "calculation_mode":"PinchPoint","global_ua_w_k":2500,
    "hot_side_pressure_drop_Pa":10000,"cold_side_pressure_drop_Pa":5000
  }
}}

Conecte cada lado via dwsim.unitop.connect (porta 0 para o quente, porta 1 para o frio), depois dwsim.solve.run.

O resultado pode variar

O resultado depende da capacidade de raciocínio e do uso correto de ferramentas pelo LLM. Sempre verifique se a simulação corresponde à sua intenção antes de confiar nos números.

Use o DWSIM (via servidor MCP) para construir a seguinte simulação:

- Crie um flowsheet chamado "HeatExchangerTutorial"
- Adicione Water como único composto; configure o pacote
  termodinâmico como "SteamTables"
- Adicione uma corrente material chamada "Hot-In" a 400 K e 304000 Pa
  com vazão mássica de 1,0 kg/s (Water = 1,0)
- Adicione uma corrente material chamada "Cold-In" a 300 K e 101325 Pa
  com vazão mássica de 2,0 kg/s (Water = 1,0)
- Adicione correntes materiais vazias "Hot-Out" e "Cold-Out"
- Adicione um Heat Exchanger chamado "HX-1" com modo de cálculo
  "PinchPoint", UA global = 2500 W/K, queda de pressão do lado
  quente 10000 Pa, queda de pressão do lado frio 5000 Pa, fluxo
  contracorrente; conecte Hot-In/Hot-Out na porta 0 e Cold-In/Cold-Out
  na porta 1
- Resolva o flowsheet
- Reporte a temperatura de saída do lado quente (K), a temperatura
  de saída do lado frio (K), a carga térmica (kW) e o LMTD (K)

Exercícios

  1. Dobre o UA para 5000 W/K. Como mudam as temperaturas de saída?
  2. Mude a vazão fria para 0.5 kg/s. Quanto a temperatura de saída do lado frio aumenta?
  3. Mude o modo de cálculo para Specified Outlet Temperature - Hot e defina a saída quente como 330 K. O DWSIM agora resolve para o UA necessário.

Leitura Complementar

Referências selecionadas da bibliografia técnica do DWSIM. Clique no link DOI para acessar cada artigo.

  • Donald Q. Kern. (1950). Process Heat Transfer. McGraw-Hill
  • Volker Gnielinski. (1976). New Equations for Heat and Mass Transfer in Turbulent Pipe and Channel Flow. International Chemical Engineering
  • E. N. Sieder & G. E. Tate. (1936). Heat Transfer and Pressure Drop of Liquids in Tubes. Industrial & Engineering Chemistry. doi:10.1021/ie50324a027
  • Kenneth J. Bell. (1963). Final Report of the Cooperative Research Program on Shell and Tube Heat Exchangers. University of Delaware Engineering Experiment Station Bulletin No. 5
  • J. P. Holman. (2010). Heat Transfer. McGraw-Hill

Próximos Passos

Em Sistemas de Reação, você comparará os diferentes modelos de reator no DWSIM e aprenderá quando usar cada um.