Como a Simulação CFD pode Melhorar e Maximizar o Projeto e Desempenho de Trocadores de Calor

Os trocadores de calor são equipamentos essenciais em diversos processos industriais. Seja na geração de energia, na indústria química, petroquímica ou em sistemas HVAC, eles são muito importantes para garantir o controle térmico, a eficiência energética e a adequada transferência de calor das linhas de processo. A performance desses equipamentos tem impacto direto no consumo de energia, nos custos operacionais e até na pegada ambiental de um processo industrial.

Apesar de sua importância, projetar trocadores de calor eficientes e compactos ainda é um desafio. Isso porque os fenômenos envolvidos — como a transferência de calor, os gradientes de temperatura, os padrões de escoamento turbulento e a formação de zonas mortas ou recirculações — são altamente complexos e interdependentes. Pequenas mudanças geométricas podem ter efeitos significativos sobre o desempenho térmico e hidrodinâmico do sistema.

Tradicionalmente, muitos desses projetos são baseados em correlações empíricas ou métodos semi-analíticos, que embora úteis, nem sempre conseguem captar toda a complexidade envolvida no escoamento interno de trocadores modernos, especialmente aqueles altamente compactos ou com geometrias inovadoras.

É exatamente nesse ponto que a simulação CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) vem se destacando, possibilitando criar modelos tridimensionais que revelam em detalhes o comportamento do fluido, as trocas de calor e os gradientes de pressão — tudo isso com base em condições reais de operação.

Desafios e Soluções

Projetar um trocador de calor eficiente não se resume apenas a garantir que a troca térmica ocorra — o verdadeiro desafio está em equilibrar desempenho térmico, perda de carga e viabilidade de fabricação. Um projeto que transfere bem o calor, mas exige bombas mais potentes por causa da alta perda de carga do escoamento, pode inviabilizar o sistema em termos de custo operacional. Da mesma forma, soluções altamente eficientes do ponto de vista térmico podem ser difíceis ou caras de produzir.

Outro problema recorrente é o dimensionamento incorreto de defletores, aletas e canais, que pode gerar zonas de recirculação ou mortas no fluxo, prejudicando a uniformidade da troca térmica e criando hotspots. Esses detalhes, muitas vezes invisíveis em análises tradicionais, afetam diretamente a durabilidade e o desempenho do equipamento.

É aí que a simulação CFD com o STAR-CCM+ se torna decisiva. Com ela, é possível visualizar o escoamento em 3D, observar os perfis de temperatura e pressão, e prever exatamente onde ocorrem perdas ou ineficiências. O engenheiro consegue testar diferentes geometrias, modificar ângulos de entrada, espaçamentos e até combinar defletores e aletas para maximizar a turbulência onde ela é desejada — tudo isso antes da fabricação de qualquer protótipo físico.

Além disso, os resultados da simulação podem ser utilizados para validar projetos conforme normas técnicas, como as especificações da ASME, TEMA ou API 660, garantindo que o equipamento atenda aos critérios de segurança, confiabilidade e desempenho exigidos pelo setor. Isso não só acelera o processo de desenvolvimento, como reduz custos com retrabalho, aumenta a vida útil do trocador e melhora o retorno sobre o investimento (ROI) do projeto.

Simulação

O estudo de simulação, utilizando o STAR-CCM+, em questão concentra-se na análise detalhada de um trocador de calor casco-tubo, com o objetivo de investigar as variáveis chaves da troca térmica e estabilidade operacional do equipamento.

A modelagem adotou o regime de transferência de calor conjugada (CHT – Conjugate Heat Transfer), permitindo simular simultaneamente o escoamento dos fluidos e a condução térmica nas paredes dos tubos e do casco. Cada domínio foi tratado com diferentes propriedades físicas, representando com maior fidelidade os materiais e fluidos envolvidos. A malha computacional foi refinada nas regiões críticas, especialmente nas proximidades dos tubos, onde há maior gradiente térmico e influência na transferência de calor.

Figura 1. Geometria e malha computacional

Na Figura 2, observa-se o perfil de temperatura em um corte vertical do domínio. O fluido nos tubos entra a 353 K, enquanto o fluido no casco inicia a 298 K. Ao final do percurso, a temperatura de saída dos tubos apresentou uma redução de aproximadamente 7 K. Essa queda é mais acentuada na região central do trocador (Figura 3), indicando maior interação térmica entre os fluxos, favorecida pela geometria e disposição dos tubos e das chicanas internas, que promovem turbulência e melhor mistura.

Figura 2. Perfil temperatura

Figura 3. Gráfico da temperatura eixo -X

O perfil de velocidade, apresentado na Figura 4, evidencia maiores velocidades nas zonas de entrada, com destaque para o tubo superior, essa aceleração está relacionada aos gradientes de pressão. Observa-se ainda a formação de zonas de recirculação e redemoinhos logo após a entrada, especialmente junto às chapas defletoras, que promovem mudanças de direção e intensificam a turbulência. Próximo à saída, ocorre nova aceleração do fluido, reforçando o design hidráulico na melhoria da eficiência térmica e na prevenção de zonas mortas de baixa renovação de calor.

Figura 4. Perfil de velocidade

Já a Figura 5 mostra a iso-superfície de velocidade, onde é possível observar flutuações provocadas pela presença das chicanas no casco. Essas estruturas desempenham um papel fundamental na homogeneização do escoamento, direcionando o fluido transversalmente aos tubos e aumentando a eficiência da troca térmica por meio do aumento da turbulência local.

Figura 5. Iso - superfície da velocidade

Aumentando a complexidade

Avançar no nível de complexidade do modelo para representar com maior fidelidade o comportamento térmico e fluidodinâmico do trocador de calor. Destacam-se:

• Uso de geometrias avançadas (tubos aletados, helicoidais, etc.)

• Modelagem multifásica em aplicações com condensação ou evaporação

• Propriedades termo-físicas variáveis conforme a temperatura

• Análises paramétricas e acoplamento com otimização numérica

  
  

Conclusão

A simulação CFD aplicada a trocadores de calor casco-tubo capta o entendimento dos fenômenos térmicos e fluidodinâmicos que impactam diretamente o desempenho do equipamento. Identificando zonas críticas de recirculação, variações de velocidade e regiões de intensa troca térmica. Poder prever de forma detalhada e precisa os fenômenos físicos envolvidos na operação do equipamento, permite otimizar o desempenho antes da fabricação, garantindo maior eficiência e confiabilidade e menor custo operacional, alavancando a inovação e o desenvolvimento para equipamentos cada vez melhores.

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