Sumário 1. Introdução1 2. Características dos Fluidos
2
3. Perda de Carga Admissível
3
trocador es 4. Tipos de trocadores
4.1. Classi!icação "uanto a Aplicação Aplicação 4.2. Classi!icação de acordo com o processo de trans!er#ncia de calor
$
4.2.1.
Classi!icação de de acordo com o processo processo de trans!er#ncia trans!er#ncia de calor calor $
4.2.2.
Trocadores Trocadores de calor de contato direto
acordo com a construção construção & 4.3. Classi!icação de acordo 4.3.1.
Tu'ular
&
4.3.2.
Serpentina
11
4.3.3.
Tu'o Capi Capila larr 12
4.3.4.
Trocador Trocador de calor a placa
4.3.5.
Placa (spiral 1%
5. Conclusão
1&
6. )e!er#ncias
1*
1. Intr ntroduç dução
13
%
+s trocadores de calor são e"uipamentos "ue trans!erem energia t,rmica de um sistema para a vi-in.ança ou entre partes de um sistema/ por isso são muito importantes para nosso cotidiano0 Foram desenvolvidos muitos tipos de trocadores de calor para diversos campos da indstria/ como usinas el,tricas/ usinas de processamento "uímico/ ou em a"uecimento e condicionamento de ar0 (istem tam',m aplicaçes dom,sticas 'astantes comuns como em geladeiras e ar condicionados0 A pes"uisa e desenvolvimento dos Trocadores t#m uma longa .ist4ria e devido 5s diversas aplicaçes se 'uscou aper!eiçoar ainda mais o pro6eto e o desempen.o de trocadores 'aseados na preocupação pela conservação de energia0
2. Características dos Fluidos
1
A nature-a dos !luidos "ue circulam em um trocador de calor , um item !undamental para o seu estudo0 As propriedades !ísicas de maior interesse na troca t,rmica são7 a conduti'ilidade t,rmica/ a densidade/ a viscosidade e o calor especí!ico0 (las in!luenciam decisivamente no desempen.o de um trocador de calor0 +s valores dessas propriedades variam em !unção da temperatura "ue/ por sua ve-/ se altera ao longo de um trocador de calor0 8a maioria das ve-es/ são adotados os valores das propriedades 5 temperatura m,dia entre a entrada e a saída0 9 preciso tam',m levar em conta características como a corrosividade/ a toide-/ a periculosidade/ a in!lama'ilidade0 Para esses casos/ a garantia de "ue não eista va-amento do !luido deve ser maior0 +s cuidados para a detecção de um eventual va-amento devem ser redo'rados0
3. Perda de Carga Admissível
2
A "ueda de pressão entre a entrada e a saída , con.ecida como a perda de carga em um trocador de calor0 Para cada !luido num dado processo/ , estipulado um valor de perda de carga máimo ou perda de carga admissível0 :ma perda de carga ecessiva representa um consumo operacional de energia elevado/ devendo/ portanto ser evitada0 Al,m disso/ não se deve es"uecer "ue o trocador de calor , sempre um e"uipamento componente de uma unidade de processo0 + !luido "ue sai dele/ em muitas ve-es/ vai ainda passar por tu'ulaçes e outros e"uipamentos/ com suas respectivas perdas de carga/ portanto na saída do trocador de calor/ o !luido ainda precisa ter uma pressão su!iciente para vencer as perdas su'se"uentes0 :m aspecto muito importante , "ue um trocador de calor em geral/ deve;se tra'al.ar com um valor de perda de carga o mais pr4imo possível do admissível0 Por eemplo/ não , interessante operar um trocador de calor com perda de carga de 3 psi/ se a admissível , de 1< psi0 Isso se deve pelo !ato de "ue "uanto maior a intensidade de tur'ul#ncia/ mel.or o desempen.o de troca t,rmica0 (ntão/ para um trocador de calor/ deve;se usu!ruir de toda a dissipação de energia por atrito prevista/ sem ultrapassar o valor admissível0
4. i!os de rocadores
3
:ma classi!icação 'em geral dos trocadores de calor poderia ser reali-ada de acordo com os itens a'aio7 •
Aplicação0
•
Processo de trans!er#ncia de calor=
•
Construção=
•
Arran6o do escoamento=
•
>ecanismos de trans!er#ncia de calor= 8mero de !ases ou !luidos=
•
8esta seção !alaremos so're algumas dessas classi!icaçes e os trocadores "ue a compe0
4.1 " Classi#icação $uanto % a!licação
+s trocadores de calor podem ser classi!icados devido 5s modi!icaçes "ue eles reali-am nas condiçes de temperatura ou estados !ísicos do !luido de processo0 8o caso de o e"uipamento operar com dois !luidos de processo/ prevalece se possível/ a designação correspondente ao serviço mais importante0 Seguindo este crit,rio/ os trocadores de calor podem ser classi!icados como7
•
)es!riador ?cooler@ res!ria um lí"uido ou gás por meio de água/ ar ou salmoura= )e!rigerador ?c.iller@ res!ria tam',m um !luido de processo atrav,s da evaporação de um
•
!luido re!rigerante/ como amBnia/ propano ou .idrocar'onetos cloro!luorados= Condensador ?condenser@ retira calor de um vapor at, a sua condensação parcial ou total/
•
podendo inclusive su';res!riar um lí"uido condensado0 + termo condensador de super!ície/ •
aplica;se ao condensador de vapor eausto de tur'inas e má"uinas de ciclos t,rmicos= A"uecedor ?.eater@ a"uece o !luido de processo/ utili-ando/ em geral/ vapor dDágua ou
•
!luido t,rmico= Eapori-ador ?vapori-er@ cede calor ao !luido de processo/ vapori-ando;o total ou parcialmente atrav,s de circulação natural ou !orçada0 + termo re!ervedor ?re'oiler@ aplica; se ao vapori-ador "ue opera conectado a uma torre de processo/ vapori-ando o !luido
4
processado0 + termo gerador de vapor ?steam generator@ aplicasse ao vapori-ador "ue gera •
vapor dDágua/ aproveitando calor ecedente de um !luido de processo= (vaporador ?evaporator@ promove concentração de uma solução pela evaporação do lí"uido/ de menor ponto de e'ulição0 ( algumas de suas respectivas aplicaçes atualmente são7 ; +s res!riadores são usados para res!riar o plástico "uente na indstria do plástico/ eles res!riam o plástico "ue , in6etado por etrusão ou estampado0 (les tam',m são usados para res!riar o e"uipamento utili-ado no processo de !a'ricação/ na indstria de impressão/ são aproveitados para remover o calor gerado pelos rolos de impressão0 (les tam',m a6udam a res!riar o papel "uando ele sai dos !ornos de secagem de tinta0 ( atualmente os mais so!isticados são usados na eletrBnica de alta pot#ncia dentro das má"uinas/ como ressonGncia magn,tica e P(T0 ; +s re!rigeradores mais con.ecidos como C.illers podem ser usados para res!riamento de eletro erosão a !io/ rotativas grá!icas/ reatores "uímicos/ gravação e corte a laser/ 'an.os de galvanoplastia/ moldes de termo!armadoras/ moldes de in6etoras de plástico/ laminadoras de !ilmes plásticos/ moldes de sopradoras de plástico/ diversos processos na indstria alimentícia/ sistemas de envase de água mineral e re!rigerante/ etrusores de !ilme/ c.apas/ per!is e tu'os plásticos/ nos sistemas de 4leo de corte de má"uinas de usinagem/ anel de ar e IHC de etrusoras tu'ulares de !ilme plástico0 ; +s condensadores possuem dois tipos principais7 Por condensação estática ?processo de convecção natural@ "ue , aplicada principalmente em re!rigeradores/ !rigo'ares/ !ree-ers e outras aplicaçes dom,sticas0 ( por condensação !orçada ?processo de convecção !orçada@ o "ual utili-a micro ventilador/ cu6a principal vantagem está no aumento da capacidade de trocar calor pela movimentação do ar !orçado pelo ventilador so're o condensador0 (sse processo , aplicado geralmente em sistemas comerciais leves/ "ue eigem maior capacidade de re!rigeração/ como epositores para 'e'idas/ il.as de re!rigerados ou congelados/ má"uinas de gelo/ etc0 ; +s a"uecedores podem ser utili-ados para diversas aplicaçes/ como a"uecedores solares/ ; + uso dos geradores de vapor está limitado a pe"uenos aparel.os para a indstria ?criação de atmos!eras neutras/ lavandarias de grande dimensão/ limpe-a e esterili-ação@ 5
; +s (vaporadores são aplicados na concentração de produtos/ pr,;concentração para e!eitos de alimentação de secadores/ redução de volume/ separação de águasolventes/ pr,; cristali-ação0 Concentração de sucos de !rutas/ do caldo de cana para posterior o'tenção do açcar/ e na produção do álcool , utili-ado tam',m para retirada da água dos alimentos mais variados como !a'ricação de leite condensado/ leite/ sucos de !rutas concentrados/ etrato de tomate/ catc.up/ doces em massa/ o'tenção de água potável a partir da água do mar0
4.2 " Classi#icação de acordo com o !rocesso de trans#er&ncia de calor
(m relação ao processo de trans!er#ncia eistem dois tipos/ o de contato indireto e de contato direto0
4.2.1 " rocadores de calor de contato indireto
(m um trocador de calor de contato indireto/ os !luidos permanecem separados e o calor , trans!erido continuamente atrav,s de uma parede/ pela "ual se reali-a a trans!er#ncia de calor0 +s trocadores de contato indireto classi!icam;se em7 trocadores de trans!er#ncia direta e de arma-enamento0
a' i!o de rocadores de rans#er&ncia (ireta
8este tipo/ .á um !luo contínuo de calor do !luido "uente ao !rio atrav,s de uma parede "ue os separa0 8ão .á mistura entre eles/ cada corrente permanece em passagens separadas0 (ste trocador , c.amado de trocador de calor de recuperação/ ou simplesmente como recuperador0 Alguns eemplos de trocadores de trans!er#ncia direta são trocadores de7 placa/ tu'ular/ e de super!ície estendida0 )ecuperadores constituem uma vasta maioria de todos os trocadores de calor0 )' rocadores de arma*enamento 6
(m um trocador de arma-enamento/ am'os os !luidos percorrem alternativamente as mesmas passagens de troca de calor0 A super!ície de trans!er#ncia de calor geralmente , de uma estrutura c.amada matri-0 (m caso de a"uecimento/ o !luido "uente atravessa a super!ície de trans!er#ncia de calor e a energia t,rmica , arma-enada na matri-0 Posteriormente/ "uando o !luido !rio passa pelas mesmas passagens/ a matri- li'era a energia t,rmica ?em re!rigeração o caso , inverso@0 (ste trocador tam',m , c.amado regenerador0
4.2.2 " rocadores de calor de contato direto
8este trocador/ os dois !luidos se misturam0 Aplicaçes comuns de um trocador de contato direto envolvem trans!er#ncia de massa al,m de trans!er#ncia de calor= aplicaçes "ue envolvem s4 trans!er#ncia de calor são raras0 Comparado a recuperadores de contato indireto e regeneradores/ são alcançadas taas de trans!er#ncia de calor muito altas0 Sua construção , relativamente 'arata0 As aplicaçes são limitadas aos casos onde um contato direto de dois !luos !luidos , permissível0
4.3 " Classi#icação de acordo com a construção 4.3.1 " u)ular
7
a@ Casca e tu'o
São trocadores amplamente utili-ados em processos industriais ?a"uecimento/ res!riamento/ evaporação ou vapori-ação e condensação de todas as esp,cies de !luidos@/ "uando se necessita de grandes áreas para transmissão de calor0 Consiste de tu'os paralelos/ por onde circula um dos !luidos/ montados num casco cilíndrico/ no "ual circula o outro !luido0 Tem vantagens em termos de !a'ricação/ custos e desempen.o t,rmico0 Podem ser construídos com grandes super!ícies de troca de calor em um volume relativamente pe"ueno/ apresentando grande !lei'ilidade nas condiçes de pro6eto e operação ?ampla !aia de temperatura e pressão@0 +s Trocadores de Calor Casco e Tu'o são pro6etados para as mais variadas aplicaçes em indstrias "uímicas/ petro"uímicas/ alimentícia/ geração de energia/ etc0
C+icanas
Para evitar "ue .a6a !leão dos tu'os e tam',m para prover um maior tempo de resid#ncia do !luído do casco e uma maior tur'ul#ncia/ coloca;se no !eie/ de espaço em espaço placas de metal c.amadas c.icanas/ elas podem ser de tr#s tipos7 • • •
C.icanas de ori!ícios anulares= C.icanas do tipo disco e anel= C.icanas segmentadas=
8
'@ Tu'o duplo
9 constituído por dois tu'os conc#ntricos conectados nas etremidades com a !inalidade de suportar o tu'o interno mantendo;o centrali-ado/ promover a entrada/ a saída ou o retorno do !luido de uma perna a outra0 Juas pernas de duplo tu'o !ormam um grampo em : ?curva de retorno@ geralmente eposto/ o "ual não !ornece uma super!ície de T0C0 e!etiva0 8ormalmente são montados em comprimentos de at, $m e não devem ser maiores por"ue o tu'o interior pode se curvar e tocar no tu'o eterior causando má distri'uição no !luo de !luido no anel0 8a indstria de tratamento de águas residuais/ trocadores de calor desempen.am um papel vital na manutenção 4tima de temperaturas internamente a digestores anaer4'icos a !im de promover o crescimento de microorganismos "ue removem os poluentes das águas residuais0 +s tipos mais comuns de trocadores de calor utili-ados nesta aplicação são os
9
trocadores de calor de duplo tu'o0 9 geralmente usado em aplicaçes de pe"uenas capacidades0 Jesvantagens7 ; pe"uena "uantidade da super!ície de T0C0 contida num nico grampo/ sendo necessário o uso de vários deles para processos industriais/ ocupando um espaço considerável ; elevado nmero de conees/ di!icultando e encarecendo a desmontagem e limpe-a do e"uipamento0
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4.3.2 " ,er!entina
(ste tipo de trocador de calor , muito especí!ico na indstria/ e apresenta uma s,rie de con!iguraçes/ dependendo do tipo de aplicação e do tipo do e"uipamento0 Je uma maneira geral/ a con!iguração , .elicoidal ou espiral/ muito utili-ado em torres de a'sorção/ vasos circulares com agitadores mecGnicos/ tan"ues de arma-enagem de 4leo com'ustível/ tan"ues de soluçes salinas para evitar cristali-ação/ em tan"ues de !usão ?eno!re/ por eemplo@/ etc0 As Serpentinas são normalmente utili-adas em condicionadores de ar dos mais variados tipos/ podendo ser usadas em sistemas de re!rigeração/ dutos de ar e em e"uipamentos industriais ou de processo/ sendo mais comum nas seguintes aplicaçes7 res!riamento do ar por água gelada/ a"uecimento do ar por água "uente ou vapor/ epansão direta do gás re!rigerante .alogenado/ como condensadoras ou evaporadoras/ res!riamento de 4leo/ Fan;Coil0 +s A"uecedores e )es!riadores de Ar/ construídos com tu'os aletados de seção elíptica/ são recomendados para operaçes da alta capacidade de transmissão de calor e alta pressão0
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4.3.3 " u)o ca!ilar
+s tu'os capilares normalmente são aplicados em sistemas de re!rigeração de pe"ueno porte/ como7 condicionadores de ar residenciais/ !ree-ers/ 'e'edouros de água/ etc0 + capilar possui duas !inalidades7 redu-ir a pressão do re!rigerante lí"uido e regular 5 va-ão da mistura lí"uidogás "ue entrará no evaporador/ seguindo o princípio de "ue uma massa de re!rigerante no estado lí"uido passará mais !acilmente atrav,s de um capilar "ue a mesma massa de re!rigerante no estado gasoso0 Assim/ se o vapor o re!rigerante não condensado entra no capilar/ o !luo de massa será redu-ido/ permitindo "ue o re!rigerante !i"ue mais tempo no condensador0 A principal vantagem em sua utili-ação constitui;se no !ato de "ue/ mesmo com a parada do compressor/ o re!rigerante continua !luindo atrav,s do capilar at, a e"uali-ação das presses do lado de alta e de 'aia/ permitindo a utili-ação de motor com tor"ue normal de partida0
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4.3.4 " rocador de calor a !laca
+ termo trocador de calor a placas e a sigla PK( ? plate heat exchanger @ são normalmente usados para representar o tipo mais comum de trocador a placas7 o trocador de calor a placas com gaetas0 (ntretanto/ eistem ainda outros tipos menos comuns de trocadores a placas/ como o espiral ou o de lamela0 (m todos eles/ os !luidos escoam por estreitos canais e trocam calor atrav,s de !inas c.apas metálicas0 +s PK(s são !ormados 'asicamente por um pacote de !inas placas metálicas prensadas em um pedestal0 + pedestal possui uma placa !ia/ uma placa de aperto m4vel/ 'arramentos in!erior e superior e para!usos de aperto0 A placa !ia e de aperto possuem 'ocais para coneão das tu'ulaçes de alimentação e de coleta dos !luidos0
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Princi!ais -antagens dos P/s
; Limpe-a7 como o PK( , desmontável/ , possível limpar e inspecionar todas as partes em contato com os !luidos0 8o processamento de produtos alimentícios ou !armac#uticos esta característica , !undamental0 ; Flei'ilidade7 os PK(s são muito !leíveis= adicionando ou removendo placas eles podem ser redimensionados para novas condiçes de processo0 ; (conomia7 como os PK(s são compactos/ podem ser usados materiais mais no'res na !a'ricação das placas/ o "ue seria inviável em trocadores mais ro'ustos como o casco;e; tu'os0 + espaço para instalação , tam',m 'astante redu-ido para os PK(s0 :m mesmo pedestal pode at, acomodar mais de uma seção de troca t,rmica utili-ando placas especiais c.amadas grades conectoras/ essenciais nos processos de pasteuri-ação onde o !luido de processo , a"uecido e depois res!riado no mesmo trocador0 ; )endimento T,rmico7 os PK(s são trocadores de alta e!ici#ncia t,rmica/ sendo possível o'ter di!erenças de temperatura de at, 1 oC entre os !luidos0 ; Tur'ul#ncia7 as placas corrugadas aumentam a tur'ul#ncia do escoamento dentro dos canais0 Jesta !orma/ , possível o'ter o regime tur'ulento de escoamento0 A tur'ul#ncia tam',m redu- a !ormação de incrustaçes pois mant,m os s4lidos em suspensão0 +s !atores de incrustação ? fouling factors@ para os PK(s são aproimadamente de- ve-es menores da"ueles adotados para os trocadores casco;e;tu'os0 ; Ea-amentos nas gaetas7 as gaetas possuem respiros "ue impedem "ue os !luidos se misturem no caso de alguma !al.a/ o "ue tam',m !acilita a locali-ação de va-amentos0
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Princi!ais (esvantagens dos P/s
; Pressão7 presses superiores a 1/M >Pa não são toleradas/ pois ocasionam va-amentos nas gaetas0 (iste a possi'ilidade de soldar as placas umas 5s outras para operar so' altas presses/ como nos trocadores a placas 'ra-ados/ mas o PK( perde a sua !lei'ilidade e não pode mais ser limpo internamente0 ; Temperatura7 para "ue o PK( possa tra'al.ar acima de 1M< oC , necessário o uso de gaetas especiais/ pois as de material elastom,rico não suportam tal condição0 ; Perda de Carga7 devido 5s placas corrugadas e ao pe"ueno espaço de escoamento entre elas/ a perda de carga por atrito , alta/ o "ue eleva os custos de 'om'eamento0 Para diminuir a perda de carga pode;se aumentar o nmero de passagens por passe para "ue o !luo se6a dividido em um nmero maior de canais0 Jesta !orma a velocidade de escoamento dentro dos canais será menor/ redu-indo o !ator de atrito0 ; >udança de Fase7 em casos especiais os PK(s podem ser usados em operaçes de condensação ou de evaporação/ mas eles não são recomendados para gases e vapores devido ao espaço redu-ido dentro dos canais e 5s limitaçes de pressão0 ; Fluidos7 o processamento de !luidos de alta viscosidade ou contendo materiais !i'rosos não , recomendado por causa da alta perda de carga e de pro'lemas de distri'uiçes de !luo dentro do PK(0 Jeve;se veri!icar ainda a compati'ilidade entre os !luidos e o material de !a'ricação das gaetas0 ; Ea-amentos nas placas7 a !ricção entre placas pode desgastar o metal e !ormar pe"uenos !uros de di!ícil locali-ação0 Como precaução/ , aconsel.ável pressuri-ar o !luido de processo para "ue/ no caso de va-amento na placa/ o !luido de utilidade não o contamine0 ; Jimensionamento7 os m,todos rigorosos de dimensionamento dos PK(s ainda são propriedade dos !a'ricantes e são especí!icos aos modelos comerciali-ados0 (m contrapartida/ m,todos gen,ricos de dimensionamento para trocadores casco;e;tu'os ou duplo;tu'o encontram;se disponíveis na literatura a'erta0
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A!licaç0es
Je !orma geral/ os PK(s são utili-ados em operaçes de res!riamento/ a"uecimento ou de recuperação de calor entre lí"uidos com temperaturas in!eriores a 1M< oC e presses não maiores "ue 1/M >Pa0 (les são etensivamente usados no processamento de produtos alimentícios como laticínios/ sucos e cerve6as e tam',m na indstria !armac#utica para esterili-ação de meios de cultura0 A !acilidade de limpe-a interna e de controle da temperatura dos PK(s são !undamentais para estes processos industriais0 :ma das aplicaçes mais importantes dos PK(s , na pasteuri-ação do leite0 8este processo o PK( , dividido em tr#s seçes de troca t,rmica/ uma para a"uecimento do leite cru at, a temperatura de pasteuri-ação/ outra para res!riamento do leite pasteuri-ado at, a temperatura de em'alagem e uma seção para recuperação de calor0 8esta ltima seção/ designada regeneração/ o leite cru , pr,;a"uecido usando o leite "uente pasteuri-ado e a recuperação de calor pode ser superior a *< N0 + processo de pasteuri-ação , es"uemati-ado e pode;se o'servar as tr#s seçes de troca t,rmica ocupando o mesmo pedestal do PK(0 As grades conectoras são usadas para separar as seçes0
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4.3.5
" Placa es!iral
Trocadores espirais são !re"uentemente a nica opção no caso de incrustaçes/ !luidos viscosos eou carregados de partículas/ como lama ou suspenses0 Por conta da passagem de um nico !luo/ a limpe-a "uímica , etremamente e!ica-0 Com sua construção totalmente soldada/ trocadores espirais são usados muitas ve-es com !luidos perigosos eou agressivos no processamento de produtos "uímicos orgGnicos e inorgGnicos0 Al,m dos aplicativos de lama em geral em águas residuais municipais/ de papel e de celulose/ outras !unçes signi!icativas envolvem serviço de lí"uidolí"uido e gás ou vaporlí"uido0
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5. e#er&ncias
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