Trocadores de Calor de Placas

TROCADORES DE CALOR DE PLACAS

Disciplina: Sistemas a Vapor Professor: José Baia Alunos: Anderson Felix Amanda Rafael Cibelly Farias Turma: Mecânica/Tarde (4°modulo)

Recife, 19 de Junho de 2013.

01. Introdução Esse trabalho tem por objetivo de realizar um estudo sobre trocadores de calor a placas, sua importância e aplicação nas indústrias. Além de transmitir os conhecimentos teóricos fundamentados de transmissão de calor e trocadores de calor de forma simples, porém enfatizando a compreensão dos mecanismos básicos de transmissão de calor de placas, reconhecendo os mecanismos envolvidos e aplicando os conhecimentos teóricos referentes aos mesmos. O material foi elaborado a partir de uma pesquisa feita em diversos sites disponíveis na internet ou ainda, resumo de livros didáticos.

02. A BOA E VELHA HISTÓRIA Os trocadores de calor de placas ou PHE (plate heat exchanger) foram introduzidos comercialmente na década de 30 para atender às exigências de higiene e limpeza das indústrias alimentícias e farmacêuticas, pois eles podem ser facilmente desmontados, limpos e inspecionados. Entretanto, contínuos aperfeiçoamentos tecnológicos tornaram o PHE um forte concorrente aos tradicionais trocadores de casco-e-tubos ou duplo-tubo em várias outras aplicações industriais. Atualmente os PHEs são extensamente empregados em diversos processos de troca térmica entre líquidos com pressões e temperaturas moderadas (até 1,5 MPa e 150°C) quando se deseja alta eficiência térmica.

Fig01: trocador de calor de placas

03. CONCEITO O termo “trocador de calor a placas” e a sigla PHE (plate heat exchanger) são

normalmente usados para representar o tipo mais comum de trocador a placas: o “trocador de calor a placas com gaxetas” (gasketed plate heat

exchanger ou plate and frame heat exchanger). Um trocador de calor de placas é um tipo de trocador de calor que utiliza placas de metal para transferência de calor entre dois fluidos.


04. HORA DA REVISÃO O que é um trocador de calor? É um dispositivo que visa à transferência de energia térmica de forma eficiente de um meio para outro. Tem a finalidade de propiciar calor de um fluido para o outro, encontrando-se estes em temperaturas diferentes. São equipamentos de extrema importância para a engenharia. Foram desenvolvidos muitos tipos de trocadores de calor para diversos campos da indústria, como usinas elétricas, usinas de processamento químico, ou em aquecimento e condicionamento de ar. Existem também aplicações domésticas bastantes comuns como em geladeiras e ar condicionados.

Fig03: trocador de calor

Fig04: trocador de calor

05. MODELO PADRÃO O trocador de calor a placas consiste em um pacote de placas metálicas com aberturas para a passagem de dois fluidos, entre os quais, a transferência de calor irá ocorrer. Fig05: trocador de calor de placas

06. TIPOS Dividem-se em três tipos: Planas: Escoamento contra corrente; Temperatura e pressão limitadas; Leves e compactos; Fácil manutenção; Indústria Alimentícia; Altos coeficientes de transferências de calor.  Espirais: Placas paralelas em forma espiral; Pressão e temperatura limitadas; Compacto; Alto custo.  Delgadas: Placas paralelas finas; Canais longitudinais acomodados em um casco. 

07. DESSA FORMA, SIM. Sempre surgem comparações entre os trocadores casco e tubo. O trocador de placas será viável somente se:  A pressão de operação for menor que 30 bar.  As temperaturas forem inferiores a 180°C (juntas normais) ou 260°C (juntas de amianto)  Houver vácuo não muito elevado.  Houver volumes moderados de gases e vapores.

08. E O QUE SE GANHA COM ISSO?          

Facilidade de acesso à superfície de troca, substituição de placas e facilidade de limpeza; Flexibilidade de alteração da área de troca térmica; Fornece grandes áreas de troca ocupando pouco espaço; Pode operar com mais de dois fluidos; Apresenta elevados coeficientes de transferência de calor; Incrustação reduzida em função da turbulência, ocasionando menos paradas para limpeza. Baixo custo inicial; Não é necessário isolamento; Mesmo que a vedação falhe não ocorre a mistura das correntes; Possibilidade de respostas rápidas em função do pequeno volume de fluido retido no trocador.

09. POIS É, NEM TUDO SÃO FLORES.  Pressões superiores a 1,5 MPa não são toleradas, pois ocasionam vazamentos nas gaxetas.  Para que o PHE possa trabalhar acima de 150°C é necessário o uso de gaxetas especiais. Pois as de material elastômero não suportam tal condição.  Devido às placas corrugadas e ao pequeno espaço de escoamento entre elas, a perda de carga por atrito é alta, o que eleva os custos de bombeamento . 

A fricção entre placas pode desgastar o metal e formar pequenos furos de difícil localização.


10. POR DENTRO O pacote de placas é montado entre a placa de estrutura e a placa de pressão, sendo comprimido por parafusos de aperto. As placas contêm gaxetas que vedam o canal e direcionam os fluidos em canais alternados. O número de placas é determinado pela vazão, propriedades físicas dos fluidos, perda de carga e programa de temperatura. As corrugações das placas promovem alta turbulência no fluido e suportam as placas contra o diferencial de pressão. As placas de troca térmica e a placa de pressão são suspensas e posicionadas pela combinação de uma barra transportadora superior e uma barra inferior, ambas fixadas à coluna de suporte. As conexões estão localizadas na placa de estrutura, porém se um ou ambos os fluidos tiverem mais de um passe dentro da unidade, tem-se conexões na placa de pressão.


11. CONFIGURAÇÃO O espaço compreendido entre duas placas é um canal de escoamento, que pode ter uma espessura de 1,5mm a 5mm. O fluido entra e sai dos canais através dos orifícios nas placas e o seu caminho por dentro do PHE é definido pelo desenho das gaxetas, pelos orifícios abertos e fechados das placas e pela localização das conexões de alimentação. A configuração do PHE define as trajetórias dos fluidos quente e frio dentro do trocador e existe um grande número de possibilidades de configuração. Na Figura 8 é mostrado um exemplo de configuração para um PHE com nove placas, onde é possível observar os orifícios abertos e fechados das placas e também o desenho das gaxetas que definem a direção e o sentido do escoamento em cada canal. No caso deste exemplo têm-se oito canais de escoamento, o fluido quente faz dois passes de duas passagens e o fluido frio faz quatro passes de uma passagem.

Fig08: Exemplo de configuração para um PHE com nove (9) placas.

12. APLICAÇÃO De forma geral, os PHEs são utilizados em operações de resfriamento, aquecimento ou de recuperação de calor entre líquidos com temperaturas inferiores a 150°C e pressões não maiores que 1,5 MPa. Eles são extensivamente usados no processamento de produtos alimentícios como laticínios, sucos e cervejas e também na indústria farmacêutica para esterilização de meios de cultura. A facilidade de limpeza interna e de controle da temperatura dos PHEs é fundamental para estes processos industriais. Sendo uma das aplicações mais importantes dos PHEs na pasteurização do leite.


13. LIMPEZA A necessidade da realização da limpeza nos trocadores é anunciada, geralmente, pela perda de desempenho do mesmo. Como os agentes deste efeito dependem do grau de sujeira de ambos os fluídos atuantes, não é possível formular-se uma diretriz geral para intervalos de limpeza.

Fig10: trocador de calor de placas sujo.

Fig11: trocador de calor de placas sendo lavado a jatos d’água.

14. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Os meios, na troca de calor, são levados dentro do pacote de placas, através de canais de comunicação, formados pelos furos nos cantos das placas, e são admitidos dentro das passagens, entre as placas, por meio de certo arranjo de gaxetas. Um dos meios é direcionado dentro de cada segunda passagem, enquanto que o outro é direcionado dentro da passagem do meio. Os dois meios não podem ser misturados e estão separados por uma placa fina, através da qual o calor é transferido. A corrugação das placas provê uma passagem adequada entre elas, suportando cada placa contra a adjacente, e a forte turbulência obtida resulta na máxima eficiência de troca de calor.

Fig12: funcionamento de um trocador de calor de placas.

15. MATERIAIS PADRÃO    

Estrutura; Aço carbono, epóxi pintado. Bocais; Aço carbono Revestido de metal: Aço Inoxidável, Titânio. Placas; Aço inoxidável e Titânio. Gaxetas; Borracha.


16. CONCLUSÃO Os trocadores de calor não apenas realizam trocas térmicas, mas também são responsáveis pelo melhor aproveitamento energético nas indústrias. Um trocador bem projetado e adequadamente dimensionado para a sua operação, e com manutenção em dia, é capaz de realizar um processo de troca térmica mais eficiente, e, portanto, mais atrativo do ponto de vista econômico. Assim aumenta-se a competitividade do produto final. Além disso, do ponto de vista ambiental, o uso de trocadores de calor favorece o meio ambiente no momento em que se evita o descarte de fluidos em temperaturas elevadas ou então quando possibilita o reaproveitamento desse mesmo fluido para algum outro processo na indústria.

17. BIBLIOGRAFIA      

http://www.vmbrasilengenharia.com.br/TS6_portugues.pdf http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_a/Trocadores_de_calor_ 2.pdf http://www.ebah.com.br/content/ABAAAepdkAC/trocador-calor?part=2 http://sistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5817066/318/Trocadores.pdf http://www.hottopos.com/regeq11/gut.htm http://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema003/trocador/cascotub.htm

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