O trocador mais simples e no qual a troca em equicorrente ou contracorrente pode ser melhor apreciada é aquele conhecido como "tubo em tubo" ou "tubos concêntricos", que como o próprio nome indica, consiste em um tubo dentro de outro de maior diâmetro e todos com comprimento L. Porém, com este tipo de trocador, com potências não muito grandes, é necessário um grande comprimento para obter a superfície de troca necessária, por isso não é muito utilizado, exceto para potências muito pequenas, no que é conhecido também como "acompanhante tubos".[2] Na produção de vinho, tendo em conta as temperaturas a que é trabalhado, normalmente entre 14 e 38 °C, os poderes de troca não costumam ser elevados e também são utilizados permutadores concêntricos, feitos de aço inoxidável e de dimensões consideráveis apesar da baixa potência.[3].
Sem dúvida, o trocador mais utilizado há muitos anos e que tem servido de referência na teoria dos trocadores, é o trocador multitubular ou “casco e tubo”.
Nos trocadores de calor existem dois tipos de cálculos: projeto e verificação. Os cálculos de verificação são realizados quando o trocador está disponível ou sua superfície de troca é conhecida, mas é necessário encontrar a quantidade de calor transmitida ou as temperaturas finais dos fluidos de trabalho. Neste caso, por simplicidade e rapidez, é utilizado o método NUT.
O cálculo para projeto de trocadores é descrito a seguir e consiste em encontrar as soluções simultâneas das equações de balanço de calor e de transmissão de calor, para determinar as dimensões e formato do dispositivo.
Num permutador, as temperaturas dos fluidos mudam à medida que percorrem o comprimento L do dispositivo, pelo que em cada ponto existe um coeficiente de película diferente e, portanto, um coeficiente de transmissão global diferente. Se representarmos o comprimento L do trocador em coordenadas cartesianas no eixo das abcissas e as temperaturas (t) no eixo das ordenadas, obtemos a curva de distribuição de temperatura ao longo do trocador, que, como visto na figura, é uma curva logarítmica, portanto a equação de transmissão utilizada para o cálculo é:
Onde é o coeficiente de transmissão global da parede, é a sua área superficial e é a diferença média logarítmica de temperatura, que é calculada:
Em que e são as diferenças de temperatura na entrada e na saída do trocador, conforme indicado na figura.
O coeficiente de transmissão é calculado:
Para parede plana.
Para parede cilíndrica.
onde e são os coeficientes de filme da parede interna e externa do tubo interno e y são os raios interno e externo do mesmo tubo.
Junto com a equação de transmissão, é utilizado o balanço térmico, segundo o qual; O calor liberado pelo fluido quente deve ser igual ao absorvido pelo fluido frio:.
Em que correspondem os subscritos: entrada, saída, fluido quente e fluido frio.
Com ambas as equações, conhecendo as condições dos fluidos a serem trocados, pode-se determinar a superfície de troca S e com ela o comprimento do tubo, de determinado diâmetro, necessário para a potência a ser trocada.
No caso do trocador equicorrente, a temperatura de saída do fluido frio nunca pode atingir a temperatura de saída do fluido quente, pois sempre é necessária uma diferença de temperatura para que a troca ocorra. Porém, no trocador em contracorrente, o gradiente de temperatura que se origina como consequência da forma como ocorre a troca permite que a temperatura de saída do fluido frio ultrapasse a temperatura de saída do fluido quente, o que por sua vez se traduz em maior troca térmica para a mesma superfície de troca e, portanto, maior desempenho. Portanto, há uma diferença logarítmica de temperatura maior para o trocador em contracorrente do que para o trocador concorrente. No projeto, o trocador contracorrente apresentará uma área menor e o trocador concorrente apresentará uma área maior para a mesma troca térmica. Essa característica pode ser observada no gráfico.[4] O trocador de calor concorrente é preferido quando o objetivo é que a temperatura de saída do fluido seja semelhante.
O coeficiente global de transferência de calor") é a relação entre a derivada do fluxo de calor em relação à área de troca e a diferença de temperatura local entre as massas globais dos fluidos. Se o coeficiente global for externo, é a razão entre o fluxo de calor trocado e o produto entre a área de troca externa") com a diferença logarítmica de temperatura. Se o coeficiente global for interno, é a razão entre o fluxo de calor trocado e o produto entre a área interna de troca e a diferença logarítmica de temperatura. Incorpora todas as resistências devidas aos fenômenos de condução, convecção e radiação. Também é definido um coeficiente global médio, que é o inverso das resistências mencionadas. Apenas os coeficientes globais médios aparecem nas tabelas de dados porque os relativos não podem ser calculados devido à multiplicidade de áreas trocadoras existentes.