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TROCADORES DE CALOR

Trocador ou permutador de calor é um

equipamento utilizado para aquecer,

resfriar, vaporizar ou condensar fluídos de

acordo com as necessidades do

processo, utilizando-se uma parede

normalmente metálica para separação

dos fluídos, em alguns casos essa parede

pode ser de materiais não metálicos,

como por exemplo, trocadores de calor

com tubos de grafite utilizados nas

unidades de ácido fosfórico.

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• Quanto a Passagem de Fluídos

• Em Corrente Paralela

• São os tipos de trocadores nos quais os fluídos fazem a troca térmica percorrendo o trocador no mesmo sentido.

• A temperatura de saída do fluído quente T2 não poderá ser mais baixa que a temperatura de saída do fluído frio t2, pois, quando as temperaturas dos fluídos se igualarem, cessa a transferência de calor.

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Corrente Paralela • O trocador com passagem em corrente paralela é usado quando se

deseja uma transferência de calor muito grande no início, com rápido resfriamento.

• Exemplo:

• Na pasteurização, o leite deve ser submetido logo no início a uma temperatura de 80° para eliminar bactérias, e deve ser resfriado rapidamente para não alterar suas propriedades e paladar.

PASSAGEM DE FLUÍDOS

EM CORRENTE PARALELA

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Corrente Contra-corrente São os tipos de trocadores nos quais os fluídos percorrem o trocador

em sentido contrário.

• A temperatura de saída do fluído quente T2 poderá ser mais baixa que a temperatura de saída do fluído trio t2, porém, nunca menor que t1.

PASSAGEM DE FLUÍDOS

EM CONTRA-CORRENTE

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Trocador de calor multitubular

Um trocador de calor multitubular, consta de um feixe

de tubos presos por suas extremidades à duas

placas, chamadas espelhos.

Trocadores de calor de casco

e tubos

Fonte: Foust

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Chicanas • Para evitar que haja flexão dos tubos e também para prover um maior

tempo de residência do fluído do casco e uma maior turbulência, coloca-se no feixe, de espaço em espaço placas de metal chamadas chicanas, observe-se que estas chicanas podem ser de três tipos diferentes, a saber:

• Chicanas de orifícios anulares;

• Chicanas do tipo disco e anel; Chicanas segmentadas.

Trocador 1-1

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Trocador de Calor tipo Serpentina

• Este tipo de trocador de calor é muito específico na indústria, e apresenta uma série de configurações, dependendo do tipo de aplicação e do tipo do equipamento. De uma maneira geral, a configuração é helicoidal ou espiral, muito utilizado em torres de absorção, vasos circulares com agitadores mecânicos, tanques de armazenagem de óleo combustível, tanques de soluções salinas para evitar cristalização, em tanques de fusão (enxofre, por exemplo), etc.

Trocador de calor

tipo serpentina

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1. tampa do flutuante;

2. jogo de parafusos;

3. junta;

4. chicana.

TROCADOR DE CALOR

DE FEIXE PARALELO

Tipo placa Os trocadores tipo placa são disponíveis em diversas formas

diferentes: espiral; placa; placa e aleta soldada; placa aletada e tubo.

Dos quatro modelos acima, destacaremos o trocador de calor tipo

placa e quadro consiste de vários módulos semelhantes à montagem de

um filtro prensa. A vantagem é a pequena perda de carga, o número de

placas pode ser aumentado ou diminuído conforme a necessidade, boa

eficiência térmica

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Arranjo Físico

Trocador de calor duplo tubo

• O tipo mais simples de trocador de calor, consta de um tubo, posicionado concentricamente a outro tubo que forma a carcaça (double-pipe).

Trocadores de calor tubulares ou

duplo tubo

Fonte: Foust

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Quanto à Aplicação no Processo

• Aquecedores ou preaquecedores (Heater):

• Neste tipo de permutador cede-se calor sensível a um líquido por meio de vapor d'água ou outro meio qualquer (em sentido geral, algumas fornalhas podem estar incluídas neste tipo).

• Resfriadores (Cooler):

• Nesta classe estão incluídos os permutadores em que o fluido quente é resfriado por água. A maior parte do calor é transferida como calor sensível.

• Resfriadores de líquidos

• São permutadores usados com objetivo de resfriamento de produtos que vão para tanques de armazenamento. De um modo geral, se o produto é não volátil a escolha da temperatura de saída é definida, principalmente por razões de segurança. No caso de produtos voláteis a temperatura de saída do produto depende de análise econômica baseada nas perdas por evaporação.

• Resfriadores de gases

• São normalmente encontrados nos compressores tanto como "aftercooler" após compressão ou como "intercooler" intercalado entre estágios de compressão. Normalmente utiliza-se água de refrigeração, são construídos em tubos aletados e com freqüência há condensação de vapores.

Refervedores (Reboilers):

São equipamentos que operam em conjunto com torres de destilação,

vaporizando parte do produto do fundo. O meio de aquecimento pode ser

vapor d'água ou outra corrente mais quente da própria unidade.

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O sistema é aquecedor quando aquece o fluido do processo com o

auxílio do vapor ou outro meio qualquer.

Exemplo: aquecedor para regeneração de soda, cuja

representação esquemática é mostrada abaixo.

O sistema é refervedor (“reboiler”) quando vaporiza um líquido por

meio de vapor ou outro fluido quente.

O refervedor é utilizado para fornecer calor às torres de destilação,

vaporizando parte do produto do fundo.

Veja representação esquemática a seguir.

O sistema é gerador de vapor quando gera vapor, aproveitando

calor de um líquido quente proveniente do processo.

No resfriamento os fluidos do processo são resfriados usando água

ou outros fluidos.

A diminuição de temperatura dos líquidos a serem armazenados

evita as perdas por evaporação dos produtos leves.

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Condensadores (Condenser) São usados para recuperação de vapores de colunas de destilação

ou de evaporadores. Normalmente o fluido refrigerante é água.

São usados também para condensar o vapor exausto de turbinas, e

ao mesmo tempo reduzindo a pressão de descarga dos mesmos. São

chamados de condensadores de superfície quando a troca de calor entre

os dois fluidos é feita através de uma superfície metálica e sob vácuo..

• Feixe de Tubos

• Existem três tipos fundamentais de tubos:

• Lisos;

• Aletados

• Em U

• Podendo estes três tipos com costura e sem costura.

TUBOS LISOS

São os mais comumente

encontrados na indústria

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• Aletas Longitudinais

– Tubos aletados •

O emprego de tubos com superfícies ampliadas é importante em casos onde o fluxo térmico é limitado pela natureza dos fluídos que trocam calor entre si, conjugada as condições de operação (queda de pressão, sujeira, etc.) e fatores que dependem da economia do processo. A superfície dos tubos é ampliada pelos mais diferentes modos possíveis, e a seleção do tipo de superfície ampliada mais adequada a um problema vai depender da análise completa das características do problema envolvendo fatores tais como, espaço, limpeza, manutenção, corrosão, custo.

• Aletas Transversal

–Tubos aletados

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1. casco;

2. tampa boleada;

3. tampa do carretel;

4. carretel;

5. feixe;

6. junta.

TROCADOR DE CALOR DE FEIXE EM “U”

– Tubos em U

• É freqüente seu uso quando há grandes gradientes de temperatura entre os fluídos. Freqüentemente os tubos em U são obtidos por dobramento de tubos lisos.

• Um problema do projeto de permutadores com tubos em U é a determinação do comprimento efetivo dos tubos para o cálculo da área de troca de calor.

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Arranjo de tubos no espelho

• Passo triangular: Usado geralmente quando o fluido do casco é limpo ou se as incrustações podem ser removidas por tratamento químico. Dá melhores coeficientes de troca de calor que o arranjo quadrado, mas maior perda de pressão. Uso em espelhos fixos.

• Passo Quadrado : É praticamente o único tipo usado em refinarias, pois é de fácil limpeza mecânica externa. Conduz a coeficientes de transferência menores que o passo triangular. Evidentemente o arranjo alternado dá melhor coeficiente que o arranjo em linha

Trocador de calor

Bitubular

Trocador de calor Multitubular

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Fluido que passa nos tubos

Fluído mais sujo:

• . É mais fácil remover a sujeira dos tubos do que a do casco.

• Fluído mais corrosivo:

• É mais fácil substituir tubos furados do que cascos.

• Fluído com mais pressão:

• Porque o casco tem menor resistência, por ser maior o seu diâmetro.

• Fluído menos viscoso:

• A menos que a perda de carga deva ser muito baixa.

• Água de refrigeração:

• Por facilidade de limpeza.

• Fluído de menor vazão volumétrica

• Em vista de o casco oferecer maior espaço,

• Os vapores condensáveis são geralmente colocados no casco.

CALOR SENSÍVEL

Quando o calor é utilizado pela substância apenas para variar sua temperatura, sem troca de

estado físico.

(SEM MUDANÇA DE FASE)

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CALOR LATENTE

Quando o calor trocado é utilizado pela substância para mudar de estado físico, sob pressão constante, ele é chamado de calor latente. Não há variação de temperatura.

A quantidade de calor que precisa ser transferida por quantidade de massa para

que a substância mude de fase é quantificada pela constante chamada de calor latente de

transformação.

(COM MUDANÇA DE FASE)

Formas de transferência (propagação) de calor

Condução: ocorre de sólido para sólido

do mais quente para o mais frio

Convecção: ocorre do sólido para um fluido (líquido ou gás)

em movimento

Radiação: é um fenômeno de superfície (o brilho é

importante)

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CONDUÇÃO

Fonte: www.terra.com.br/fisicanet

Transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas menos energéticas. Necessita obrigatoriamente de meio material para se propagar.

Característico dos sólidos.

Exemplo: Copo que se aqueçe com leite quente. Faca aquecida ao fogo.

CONVECÇÃO

O transporte de energia térmica por convecção caracteriza-se pelo movimento de partículas mais energéticas por entre partículas menos energéticas. É o transporte de calor típico dos meios fluidos (entre o alumínio da panela e a água e entre o alumínio e o ar).

Fonte: www.achillesmaciel.hpg.ig.com.br

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RADIAÇÃO

A radiação térmica é a energia emitida por toda a matéria que se encontra a uma temperatura acima de 0 K. Não necessita de meio físico para ser transmitida pois a energia emitida é transportada via ondas eletromagnéticas. Portanto, transporta-se energia calorífica pelo vácuo. Qual a forma de calor do sol para a Terra ? SOMENTE radiação por que ela é a única que se propaga no vácuo.

OPERAÇÃO COM

TROCADORES

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• TESTE HIDROSTÁTICO

• O teste hidrostático têm por objetivo verificar a existência de vazamentos em qualquer ponto do trocador, notadamente nos espelhos do feixe tubular e tampas. além de localizar algum tubo furado.

• O trocador é cheio com água limpa à temperatura ambiente e pressurizado até a pressão recomendada. Normalmente esta pressão é dada pela expressão:

Pressão(teste) = 1,5 Pressão(PMTA)

• Em trocadores que trabalham com temperaturas elevadas, a pressão de teste é corrigida em função da temperatura.

ACOMPANHAMENTO DE TESTE HIDROSTÁTICO

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ASPECTOS DE SEGURANÇA

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Torre de resfriamento

É um equipamento que usa os princípios da evaporação (torres

“molhadas”) e da irradiação (torres “secas”) para resfriar a água.

Torres molhadas

As torres “molhadas” são as mais amplamente usadas. Seu

funcionamento baseia-se no princípio que diz que entre massas

idênticas expostas ao ambiente, resfria-se em menor tempo aquela que

tiver a maior superfície de contato.

Por isso, um dos pontos mais importantes em uma torre de

resfriamento é a subdivisão da água circulante no maior

número possível de gotículas, a fim de que a superfície de

água exposta ao ar seja aumentada ao máximo.

Isso é conseguido, utilizando-se bicos especiais que

promovem a aspersão da água em forma de gotículas e

obstáculos à sua queda, de modo que se forme um filme ou

subdivisões maiores devidas aos respingos.

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O ar necessário para garantir a troca de calor pode vir

da convecção por diferenças de temperaturas e,

conseqüentemente, diferenças de densidade, ou por

movimentação mecânica, com o auxílio de ventiladores

ou exaustores

tipos de torres “molhadas”, a saber:

· Torre de ventilação natural: é composta basicamente

por uma tubulação provida de bicos pulverizadores e um

invólucro dotado de venezianas que orientam e auxiliam a

passagem do ar, além de reduzir a perda de água por

respingamento.

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Torre de tiragem natural: utiliza aspersão de água aliada

(ou não) a uma superfície de troca de calor e uma estrutura

geralmente hiperbólica que facilita a saída do ar. O ar

quente tem a densidade diminuída e tende a subir, criando

uma zona de baixa pressão na parte inferior da torre, que

induz à entrada de nova massa de ar frio.

partes principais da torre de tiragem natural

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Torre de tiragem mecânica: é o tipo de torre mais usado

nos diversos processos industriais existentes. Nela, a

vazão do ar é aumentada com o auxílio de um ventilador.

Quando o ventilador é instalado na entrada de ar da torre,

esta se denomina “torre de tiragem forçada”.

TORRE DE RESFRIAMENTO

Quando o ventilador é instalado na saída do ar, a torre é chamada de “torre de tiragem induzida”.

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ASPECTOS DE SEGURANÇA