CFP RINALDO CAMPOS SOARES SENAI/FIEMG

GABRIEL BOY TÚLIO SILVA

FUNDAMENTOS DOS TROCADORES DE

CALOR

IPATINGA, MAIO DE 2013

INTRODUÇÃO

O que são Trocadores de Calor?

Um trocador de energia térmica ou permutador de energia térmica, popularmente também nomeado, de forma pouco adequada, por trocador de calor ou permutador 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 a temperaturas diferentes. Os meios podem ser separados por uma parede sólida, tanto que eles nunca se misturam, ou podem estar em contato direto. Um permutador de calor é normalmente inserido num processo com a finalidade de arrefecer (resfriar) ou aquecer um determinado fluido. São amplamente usados em aquecedores, refrigeração, condicionamento de ar, usinas de geração de energia, plantas químicas, plantas petroquímicas, refinaria de petróleo, processamento de gás natural, e tratamento de águas residuais. Em muitos textos em inglês é abreviado para HX (heat exchanger).

Um exemplo comum de trocador de calor é o radiador em um carro, no qual a fonte de calor, a água, sendo um fluido quente de refrigeração do motor, transfere calor para o ar fluindo através do radiador. Em outras aplicações são usados para refrigeração de fluidos, sendo os mais comuns, óleo e água e são construídos em tubos, onde, normalmente circula o fluido refrigerante (no caso de um trocador para refrigeração). O fluido a ser refrigerado circula ao redor da área do tubo, isolado por outro sistema de tubos (similar a uma Serpentina (duto)) que possui uma ampla área geometricamente favorecida para troca de calor.

O material usado na fabricação de trocadores de calor, geralmente possui um coeficiente de condutibilidade térmica elevado. Sendo assim, são amplamente utilizados o cobre e o alumínio e suas ligas.

Dentro da teoria em engenharia, é um volume de controle, sendo que este equipamento normalmente opera em regime permanente, onde as propriedades da seção de um fluido não se alteram com o tempo.

São equipamentos de vários tipos e configurações onde ocorre transferência de energia sob a forma de calor* entre duas ou mais massas de fluido** que podem ou não estar em contato direto.

* Normalmente, NÃO há interações com o ambiente sob a forma de calor e trabalho.

** Nos fluidos, pode haver sólidos em suspensão.

Os trocadores de calor são encontrados dos seguintes seguimentos, conforme “Árvore de distribuiçãode setores

Processos/Operações Aquecer, resfriar, condensar, evaporar, ferver, esterilizar, pasteurizar, congelar, fracionar, destilar, concentrar, cristalizar, fundir, secar...As incontáveis aplicações e os inúmeros processos e aplicações levam à necessidade de classificar os trocadores de calor.

Os trocadores de calor são encontrados dos seguintes seguimentos, conforme de setores”:

Aquecer, resfriar, condensar, evaporar, ferver, esterilizar, pasteurizar, congelar,

destilar, concentrar, cristalizar, fundir, secar... aplicações e os inúmeros processos e aplicações levam à

necessidade de classificar os trocadores de calor.

Os trocadores de calor são encontrados dos seguintes seguimentos, conforme

Aquecer, resfriar, condensar, evaporar, ferver, esterilizar, pasteurizar, congelar,

aplicações e os inúmeros processos e aplicações levam à

Existem duas classificações primárias de trocadores de calor de acordo com seus arranjos de fluxos. Em entram no trocador do mesmo lado, e fluem em paralelo um ao outro para o outro lado. Em trocadores de caloropostos. O projeto contracorrente é mais eficiente, neste podemaior parte do calor do meio quente (de transferência). calor contracorrente, os fluidos fluem aproximadamente perpendiculares entre si através do trocador. Para maior eficiência, trocadores de calor são projetados para maximizar a área de superfície da parede entre os dois fluidos, enquanto minimiza a resistência ao fluxo do fluido através do trocador. O desempenho do trocador também pode ser afetado pela adição de aletas ou ondulações em um ou ambos os sentidos, o que aumenta a área de superfície e induzir turbulência. A temperatura de condução através da superfície de transferência de calor varia com a posição, mas uma temperatura média adequada pode ser definida. Na maioria dos sistemas simples, esta é alogarítmica (LMTD, log mean temperature difference

direto da LMTD não está disponível e otransferência, em inglês Trocador de calor casco e tubo

Trocadores de calor casco e tubo consistem de uma série de tubos. Um conjunto destes tubos contém o fluido que deve ser ou aquecido ou esfriado. O segundo fluido corre sobre os tubos que estão sendo aquecidos ou esfriados de modo que ele pode fornecer o calor ou absorver o calor necessário. O conjunto de tubos é chamado feixe de tubos e pode ser feita de vários tipos de tubos: simples, longitudinalmente aletados, etc. Trocadores de calor casco e tubos são normalmente utilizados para aplicações de alta pressão (com pressões superiores a 30 bar e temperaturas superiores a 260°C).de calor casco e tubo são robustos, devido à sua forma.

Existem duas classificações primárias de trocadores de calor de acordo com seus arranjos de fluxos. Em trocadores de calor de fluxo paralelo

entram no trocador do mesmo lado, e fluem em paralelo um ao outro para o outro

Em trocadores de calor contracorrente os fluidos entram no trocador de lados opostos. O projeto contracorrente é mais eficiente, neste podemaior parte do calor do meio quente (de transferência). Em trocadores de

, os fluidos fluem aproximadamente perpendiculares entre si

Para maior eficiência, trocadores de calor são projetados para maximizar a área da parede entre os dois fluidos, enquanto minimiza a resistência ao

fluxo do fluido através do trocador. O desempenho do trocador também pode ser afetado pela adição de aletas ou ondulações em um ou ambos os sentidos, o que aumenta a área de superfície e pode aumentar o fluxo em canal do fluido ou

A temperatura de condução através da superfície de transferência de calor varia com a posição, mas uma temperatura média adequada pode ser definida. Na maioria dos sistemas simples, esta é a diferença de temperatura média

log mean temperature difference). Às vezes, o conhecimedireto da LMTD não está disponível e o Método das NTU (número de unidades de

Number of Transfer Units ) é usado.

Trocador de calor casco e tubo

Trocadores de calor casco e tubo consistem de uma série de tubos. Um conjunto destes tubos contém o fluido que deve ser ou aquecido ou esfriado. O segundo fluido corre sobre os tubos que estão sendo aquecidos ou esfriados de modo que ele pode fornecer o calor ou absorver o calor necessário. O conjunto de tubos é

os e pode ser feita de vários tipos de tubos: simples, longitudinalmente aletados, etc. Trocadores de calor casco e tubos são normalmente utilizados para aplicações de alta pressão (com pressões superiores a 30 bar e temperaturas superiores a 260°C).2 Isso ocorre porque os trocadores de calor casco e tubo são robustos, devido à sua forma.

Existem duas classificações primárias de trocadores de calor de acordo com seus fluxo paralelo, os dois fluidos

entram no trocador do mesmo lado, e fluem em paralelo um ao outro para o outro

os fluidos entram no trocador de lados opostos. O projeto contracorrente é mais eficiente, neste pode-se transferir a

Em trocadores de , os fluidos fluem aproximadamente perpendiculares entre si

Para maior eficiência, trocadores de calor são projetados para maximizar a área da parede entre os dois fluidos, enquanto minimiza a resistência ao

fluxo do fluido através do trocador. O desempenho do trocador também pode ser afetado pela adição de aletas ou ondulações em um ou ambos os sentidos, o que

pode aumentar o fluxo em canal do fluido ou

A temperatura de condução através da superfície de transferência de calor varia com a posição, mas uma temperatura média adequada pode ser definida. Na

diferença de temperatura média ). Às vezes, o conhecimento

(número de unidades de

Trocadores de calor casco e tubo consistem de uma série de tubos. Um conjunto destes tubos contém o fluido que deve ser ou aquecido ou esfriado. O segundo fluido corre sobre os tubos que estão sendo aquecidos ou esfriados de modo que ele pode fornecer o calor ou absorver o calor necessário. O conjunto de tubos é

os e pode ser feita de vários tipos de tubos: simples, longitudinalmente aletados, etc. Trocadores de calor casco e tubos são normalmente utilizados para aplicações de alta pressão (com pressões superiores

Isso ocorre porque os trocadores

Trocador de calor duplo tubo É constituído por dois tubos concêntricos conectados nas extremidades com a finalidade de suportar o tubo interno mantendo-o centralizado, promover a entrada, a saída ou o retorno do fluido de uma perna a outra. Duas pernas de duplo tubo formam um grampo em U (curva de retorno) geralmente exposto, o qual não fornece uma superfície de T.C. efetiva. São facilmente construídos a partir de tubos e peças padronizadas e facilmente encontradas no comércio: Tubo externo de 2 a 4” (≈5 a 10 cm) (anel) Tubo interno de ¾ a 2 ½ “ (≈1,9 a 6,3 cm) Comprimento efetivo de 12, 15 ou 20 ft (3,6, 4,6 ou 6 m). Normalmente são montados em comprimentos de até 6m e não devem ser maiores porque o tubo interior pode se curvar e tocar no tubo exterior causando má distribuição no fluxo de fluido no anel. - Podem apresentar aletas no exterior do tubo interno - Pressões admissíveis: anel - até 2000 psi (138 bars) tubo - até 20.000 psi (1380 bars) - É possível o verdadeiro escoamento em contracorrente - Usado para pequenas áreas de troca: de 100 a 200 ft2 (9,3 a 18,6 m2) Desvantagens: - pequena quantidade da superfície de T.C. contida num único grampo, sendo necessário o uso de vários deles para processos industriais, ocupando um espaço considerável - elevado número de conexões, dificultando e encarecendo a desmontagem e limpeza

do equipamento.

EXEMPLO DE UM TROCADOR DE CALOR TIPO TUBO

Trocador de calor de placa

Outro tipo de trocador de calor é o trocador de calor de placas. Um deles é composto por placas múltiplas, finas, levemente separadas que têm áreas de superfície muito grande e as passagens de fluxo de fluido de transferência de calor. Este arranjo empilhado de placas pode ser mais eficaz, em um determinado espaço, que o trocador de calor de casco e tubos. Avanços na tecnologia de vedação e brasagem fizeram o permutador de calor do tipo placa cada vez mais prático. Em aplicações HVAC, grandes trocadores de calor deste tipo são chamados placas-e-quadros, quando utilizados em circuitos abertos, estes trocadores de calor são normalmente do tipo vedado permitindo desmontagem, limpeza e inspeção periódica. Existem muitos tipos de trocadores de calor de placa permanentemente ligadas, tais como variedades de placa brasadas por imersão e brasadas a vácuo, e muitas vezes são especificados para aplicações de circuito fechado, como refrigeração. Trocadores de calor de placas também diferem no tipo de placas que são utilizadas, e nas configurações das placas. Algumas placas podem ser carimbados com o "chevron" (forma de insígnia), ou outros padrões, onde outros possam ter aletas e/ou ranhuras usinadas.

Existem as placas paralelas e delgadas, conforma abaixo:

as placas paralelas e delgadas, conforma abaixo:

Alguns parâmetros para dimensionamento:

• Temperatura (T); • Tipos de fluídos; • Coeficiente de troca térmica (U); • Área de troca térmica (A).

É bom ressaltar que foram citados alguns modelos de trocadores de calor para nível de conhecimento em fundamentos do assunto, pois existem “n” formas e dimensões, tal como nomes específicos para os trocadores de calores, pois são construídos de acordo com a necessidade e capacidade de um determinado produto.