1

UNOESTE Universidade do Oeste Paulista Engenharia De Produo

TROCADORES DE CALORAna Caroline Alves Sabino Presidente Prudente - SP2015Trocadores de Calor

Definio;

Trocador de calor o dispositivo usado para realizar o processo da troca trmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas. Este processo comum em muitas aplicaes da Engenharia. Podemos utiliz-los no aquecimento e resfriamento de ambientes, no condicionamento de ar, na produo de energia, na recuperao de calor e no processo qumico. Em virtude das muitas aplicaes importantes, a pesquisa e o desenvolvimento dos trocadores de calor tm uma longa histria, mas ainda hoje busca-se aperfeioar o projeto e o desempenho de trocadores, baseada na crescente preocupao pela conservao de energia.

Os trocadores ou permutadores de calor do tipo tubular constituem o grosso do equipamento de transferncia de calor com ausncia de chama, nas instalaes de processos qumicos.

Os mais comuns so os trocadores de calor em que um fluido se encontra separado do outro por meio de uma parede, atravs da qual o calor se escoa, estes tipos de trocadores so chamados recuperadores. Existem vrias formas destes equipamentos, variando do simples tubo dentro de outro, at os condensadores e evaporadores de superfcie complexa. Entre estes extremos, existe um vasto conjunto de trocadores de calor comuns tubulares. Essas unidades so largamente utilizadas, devido possibilidade de serem construdas com grande superfcie de transferncia, em um volume relativamente pequeno, alm de possibilitar a fabricao com ligas metlicas resistentes corroso e, so apropriados para o aquecimento, resfriamento, evaporao ou condensao de qualquer fluido.

O projeto completo de um trocador de calor pode ser dividido em trs partes principais:

Anlise Trmica - se preocupa, principalmente, com a determinao da rea necessria transferncia de calor para dadas condies de temperaturas e escoamentos dos fluidos.

Projeto Mecnico Preliminar envolve consideraes sobre as temperaturas e presses de operao, as caractersticas de corroso de um ou de ambos os fluidos, as expanses trmicas relativas e tenses trmicas e, a relao de troca de calor.

Projeto de Fabricao requer a translao das caractersticas fsicas e dimenses em uma unidade, que pode ser fabricada a baixo custo (seleo dos materiais, selos, invlucros e arranjo mecnico timos), e os procedimentos na fabricao devem ser especificados.

Para atingir a mxima economia, a maioria das indstrias adota linhas padres de trocadores de calor. Os padres estabelecem os dimetros dos tubos e as relaes de presses promovendo a utilizao de desenhos e procedimentos de fabricao padres. A padronizao no significa entretanto, que os trocadores possam ser retirados da prateleira, porque as necessidades de servio so as mais variadas. O engenheiro especialista em instalaes de trocadores de calor em unidades de energia e mtodos de instalao, solicitado frequentemente para selecionar a unidade de troca de calor adequada a uma aplicao particular. A seleo requer uma anlise trmica, para determinar se uma unidade padro de tamanho e geometria especificados, pode preencher os requisitos de aquecimento ou resfriamento de um dado fluido, com uma razo especificada.Os principais tipos de trocadores de calor multitubulares so:

Permutadores com espelho flutuante.

Permutadores com espelho fixo. O tipo mais usado que qualquer outro.

Permutadores com cabeote flutuante e gaxeta externa.

Permutadores de calor com tubo em U.

Permutadores do tipo refervedor com espelho flutuante e removvel pelo carretel.

Permutadores com cabeotes e tampas removveis.

Tipos de Trocadores

Classificao quanto utilizao;

Os trocadores de calor so designados por termos correspondentes s modificaes que realizam nas condies de temperatura ou estado fsico do fluido de processo. No caso de o equipamento operar com dois fluidos de processo, prevalece, se possvel, a designao correspondente ao servio mais importante. Atravs deste critrio, os trocadores de calor so classificados como:

Resfriador resfria um lquido ou gs por meio de gua, ar ou salmoura;

Refrigerador resfria tambm um fluido de processo atravs da evaporao de um fluido refrigerante, como amnia, propano ou hidrocarbonetos clorofluorados;

Condensador retira calor de um vapor at a sua condensao parcial ou total, podendo inclusive sub-resfriar um lquido condensado. O termo condensador de superfcie, aplica-se ao condensador de vapor exausto de turbinas e mquinas de ciclos trmicos;

Aquecedor aquece o fluido de processo, utilizando, em geral, vapor dgua ou fluido trmico;

Vaporizador cede calor ao fluido de processo, vaporizando-o total ou parcialmente atravs de circulao natural ou forada. O termo refervedor aplica-se ao vaporizador que opera conectado a uma torre de processo, vaporizando o fluido processado. O termo gerador de vapor aplicace ao vaporizador que gera vapor dgua, aproveitando calor excedente de um fluido de processo;

Evaporador promove concentrao de uma soluo pela evaporao do lquido, de menor ponto de ebulio.

Classificao quanto forma construtiva;

Trocadores tipo casco e tubo Equipamentos constitudos basicamente por um feixe de tubos envolvidos por um casco, normalmente cilndrico, circulando um dos fluidos externamente ao feixe e o outro pelo interior dos tubos. Os componentes principais dos trocadores tipo casco e tubo so representados pelo cabeote de entrada, casco, feixe de tubos e cabeote de retorno ou sada.

Trocadores especiais Em face das inmeras aplicaes especficas dos trocadores de calor, so encontradas vrias formas construtivas que no se enquadram nas caracterizaes comuns (casco e tubo, tubo duplo, serpentina, trocador de placas, resfriadores de ar, rotativos regenerativos, economizadores, etc). Para estes tipos, atribuda a classificao de ESPECIAIS, dada a sua peculiaridade de construo, em decorrncia da aplicao.

Trocador de Calor de Casco e Tubos

Trocador de Calor casco e tubos com um passe no casco e um passe nos tubos

Diagrama de um trocador de calor de correntes opostas de simples tubo no interior de outro tubo

Aquecedor de Corrente cruzada

Tipo Placa

Trocador Casco e Tubo

Trocador de calor de raspagem interna

Consta de um tubo, posicionado concentricamente a outro tubo que forma a carcaa de tal arranjo. Um dos fluidos escoa dentro do tubo interno e outro atravs do espao anular entre os dois tubos, uma vez que ambas as correntes de fluidos atravessam o trocador apenas uma vez, chamamos tal arranjo de trocador de calor de passo-simples. Se ambos os fluidos escoam na mesma direo, o trocador chamado do tipo correntes paralelas; se os fluidos se movem em direes opostas, o trocador do tipo correntes opostas. A diferena de temperatura entre o fluido quente e o frio, em geral varia ao longo do tubo e, a razo de transferncia de calor variar de seo para seo. Para determinar a razo de transferncia de calor deve-se usar, desta forma, uma diferena de temperatura mdia apropriada.

Quando os dois fluidos que escoam ao longo da superfcie de troca de calor se movem com ngulos retos entre si, o trocador de calor denominado do tipo correntes cruzadas. Trs arranjos distintos, deste tipo de trocador so possveis:

Cada um dos fluidos no se misturam ao passar atravs do trocador e, desta forma, as temperaturas dos fluidos na sada do trocador no so uniformes, apresentando-se mais quente em um lado do que no outro. O aquecedor do tipo placa plana, projetado para ser utilizado como regenerador, utilizando a energia dos gases de descarga de uma turbina ou um radiador de automvel.

Um dos fluidos no se mistura e outro perfeitamente misturado ao atravessar o trocador. A temperatura do fluido misturado ser uniforme em cada seo e, somente variar na direo do escoamento. Um exemplo deste tipo o aquecedor de ar de corrente cruzada, mostrado esquematicamente abaixo. O ar que escoa atravs de uma bancada de tubos misturado, enquanto que os gases no interior dos tubos esto confinados e, desta forma, no se misturam.

Ambos os fluidos so misturados enquanto escoam atravs do trocador, isto , a temperatura de ambos os fluidos ser uniforme ao longo da seo e variar apenas na direo do escoamento.Tubos duplo: so sustados a muito temo, principalmente quando as velocidades de fluxo so baixas e as faixas de temperaturas so altas. Estes segmentos de tubos duplos so bem adaptados ao pequeno dimetro, pois possibilitam o uso de pequenos flanges de sees com paredes delgadas.

Trocadores com raspagem interna; este tipo de trocador tem um elemento rotativo munido de lminas raspadoras montadas em molas, para raspagem da superfcie interna. Os trocadores com raspagem interna so essencialmente convenientes para a transferncia de calor com cristalizao, ou transferncia de calor em condies de pesada incrustaes das superfcies; ou a transferncia de calor em fluidos muitos viscosos. So usados, para cristalizao, nas fbricas de parafina e nas fbricas petroqumicas.

Permutador do tipo placa; consiste em placas que servem como superfcies de transferncia de calor e de uma armao que as suporta. As chapas so facilmente limpas e substitudas. A rea necessria pode ser atingida pela adio ou subtrao de chapas. O termo trocador de calor a placas e a sigla PHE (plate heat exchanger) so normalmente usados para representar o tipo mais comum de trocador a placas: o trocador de calor a placas com gaxetas. Entretanto, existem ainda outros tipos menos comuns de trocadores a placas, como o espiral ou o de lamela. Em todos eles, os fluidos escoam por estreitos canais e trocam calor atravs de finas chapas metlicasClculo de um Trocador de Calor

Os problemas de projeto, anlise e ou desenvolvimento de um trocador de calor para uma finalidade especfica podem ser classificados em dois grupos principalmente: problema de projeto e problema de desempenho. A soluo de um problema facilitada pela adoo do mtodo mais adequado a ele.

O problema de projeto o da escolha do tipo apropriado de trocador de calor e o da determinao das suas dimenses, isto , da rea superficial de transferncia de calor A necessria para se atingir a temperatura de sada desejada. A adoo do mtodo da DTML facilitada pelo conhecimento das temperaturas de entrada e sada dos fluidos quentes e frios, pois ento DTML pode ser calculada sem dificuldade.

Outro problema aquele no qual se conhecem o tipo e as dimenses do trocador e se quer determinar a taxa de transferncia de calor e as temperaturas de sada quando forem dadas as vazes dos fluidos e as temperaturas na entrada. Embora o mtodo da DTML possa ser usado neste clculo de desempenho do trocador de calor, o procedimento seria tedioso e exigiria iterao. Isto poderia ser evitado com a aplicao do mtodo do NUT.

Mtodo da DTML: Para prever ou projetar o desempenho de um trocador de calor, essencial relacionar a taxa global de transferncia de calor a grandezas como as temperaturas de entrada e de sada, o coeficiente global de transferncia de calor e a rea superficial total da transferncia de calor.

Mtodo do NUT: uma questo simples o uso do mtodo DTML para analisar um trocador de calor quando as temperaturas de entrada dos fluidos so conhecidas e as temperaturas de sada ou so especificadas ou se determinam com facilidade pelas expresses do balano de energia. Mas quando se conhecem somente as temperaturas de entrada este mtodo exige um processo iterativo. Neste caso prefervel usar outra abordagem, o mtodo denominado efetividade-NUT. Para definir a efetividade de um trocador de calor, devemos determinar inicialmente a taxa mxima possvel de transferncia de calor no trocador. A efetividade definida como a razo entre a taxa real de transferncia de calor no trocador de calor e a taxa mxima possvel de transferncia de calor.

Dimensionamento Trmico de Trocadores de Calor - DTML

Uma diferena de temperatura cria a fora motriz que determina a transmisso de calor de uma fonte a um receptor. Sua influncia sobre um sistema de transmisso de calor, incluindo tanto como um receptor, o objeto para o nosso estudo.

Os tubos concntricos, mostrados abaixo, conduzem duas correntes, e, em cada uma destas duas, existe um coeficiente de pelcula particular, e suas respectivas temperaturas variam da entrada para a sada.

A fim de estabelecer a diferena de temperatura entre uma dada temperatura geral T de um fluido quente e uma temperatura t de um fluido frio, necessrio levar em considerao tambm todas as resistncias entre as temperaturas. No caso de dois tubos concntricos, sendo o tubo interno muito fino, as resistncias encontradas so resistncias peculiar do fluido do tubo, a resistncia da parede do tubo Lm/km, e a resistncia peculiar do fluido na parede anular. Uma vez que Q igual a (t/(R

costume substituir 1/U por (R onde U denomina-se coeficiente total de transmisso de calor. Levando-se em conta que um tubo real possui reas diferentes em suas superfcies interna e externa, hi e ho devem-se referir mesma rea de transmisso de calor. Se a rea externa A do tubo interno for usada, ento hi deveria possuir se ele fosse originalmente calculado com base na rea maior A em vez de Ai, ento

Considerando um sistema contracorrente temos, geralmente ambos os fluidos sofrem variaes de temperatura que no so lineares quando as temperaturas so plotadas contra o comprimento. Entretanto, existe uma vantagem para uma deduo baseada numa curva de T t contra L, uma vez que ela permita identificao da diferena de temperatura em qualquer parte ao longo do comprimento do tubo. Para deduo da diferena de temperatura entre dois fluxos, as seguintes hipteses devem ser feitas:

O coeficiente total de transmisso de calor constante em todo o comprimento da trajetria,

O calor especfico constante em todos os pontos da trajetria, no existem mudanas de fase parciais no sistema e as perdas de calor so desprezveis; ento

Assim temos que a taxa de calor transferidas.

Coeficiente global de transferncia de calor

Ocoeficiente de transferncia trmica global a medida da habilidade global de uma srie de barreiras condutivas e convectivas para transferir calor. comumente aplicado ao clculo de transferncia de calor emtrocadores de calor, mas pode ser aplicado igualmente bem a outros problemas.

Para o caso do trocador de calor, pode ser usado para determinar a transferncia de calor total entre as duas correntes no trocador de calor pela seguinte relao:

Onde;= taxa de transferncia trmica (W)

= coeficiente de transferncia de calor global (W/(mK))

= rea de superfcie de transferncia de calor (m2)

=diferena de temperatura mdia logartmica(K)

O coeficiente de transferncia trmica global leva em conta os coeficientes de transferncia trmicas individuais de cada corrente e a resistncia do material do tubo. Pode ser calculado como o recproco da soma de uma srie de resistncias trmicas (mas existem mais complexas relaes, por exemplo quando transferncia de calor toma lugar por diferentes rotas em paralelo):

Onde;R= Resistncia(s) ao fluxo de calor na parede do tubo (K/W)

Outros parmetros como os acima.

O coeficiente de transferncia de calor o calor transferido por unidade de rea por kelvin. Entorea includa na equao como representando a rea sobre a qual a transferncia de calor toma lugar. As reas de cada fluxo iro ser diferentes como representam a rea de contato com o fluido de cada lado.

Aresistncia trmicadevida a parede do tubo calculada pela seguinte relao:

Onde;x= espessura da parede (m)

k= condutividade trmica do material (W/(mK))

A= rea total do trocador de calor (m2)

Isto representa a transferncia de calor por conduo no tubo.

Acondutividade trmica uma caracterstica particular do material. Valores de condutividades trmica para vrios materiais so listados nalista de condutividades trmicas.

Como mencionado inicialmente no artigo ocoeficiente de transferncia trmica convectivapara cada corrente depende do tipo de fluido, propriedades do fluxo e da temperatura.

Inovaes Tecnolgicas

Preaquecedor; Vergnhanini e seus colegas desenvolveram um sistema de retroalimentao que permite a recuperao do calor no-aproveitado e sua utilizao para o preaquecimento do ar que entra no forno.

O preaquecedor de ar consiste em um tubo formado por anis justapostos, de forma a aumentar a rea de transferncia de calor.

Segundo o pesquisador, essa configurao pode ser considerada inovadora porque permite que o desempenho do equipamento seja aumentado com facilidade pela insero de anis adicionais.

No ensaio de avaliao do desempenho do preaquecedor de ar, com durao aproximada de 30 horas, ou cinco ciclos de operao do forno, o laboratrio mvel do IPT monitorou os principais parmetros operacionais do processo.

No perodo de ensaio, o forno foi alimentado com 2.610 quilogramas de zinco. Foram produzidos 2.991 quilogramas de xido de zinco e consumidos 403,9 metros cbicos de gs natural, indicando um consumo especfico de 0,155 metro cbico de gs por quilograma de zinco.

Este consumo 28% inferior ao verificado no ensaio anterior, sem o trocador de calor instalado.

"H, ainda, um importante ganho ambiental, pois deixariam de ser lanadas anualmente na atmosfera cerca de 170 quilogramas de xidos de nitrognio e 170 toneladas de dixido de carbono, que um dos gases causadores do efeito estufa," concluiu o pesquisador.

AquaMaster;

Um resfriador de lquidos que garante a compatibilidade desde o projeto, instalao e operao. Esta nova gerao de resfriador de lquidos incorpora as mais recentes inovaes tecnolgicas tais como compressores Scroll, Trocador de calor do tipo placas, controle digital de ltima gerao e a opo de refrigerante que no ataca a camada de oznio. Cada uma destas inovaes tecnolgicas foi estudada em conjunto resultando em um resfriador de lquidos de ltima gerao.

O Trocador de Calor tipo placas composto por um conjunto de placas em ao inox estampadas, brazadas sob vcuo, formando canais, onde os meios refrigerante e gua de processo fluem em contracorrente com grande turbulncia e grande coeficiente de trocas trmicas, significando respostas imediatas do sistema com timo coeficiente de performance. So compactos, ocupando cerca de 1/6 do espao ocupado por um trocador Shell and Tube com capacidade similar, significando sistemas de refrigerao menores e mais leves. O mdulo Hidnico integrado de fbrica foi projetado para tornar seu projeto e instalao simplificadas. Todos os componentes essenciais para um sistema eficiente de distribuio de gua, tais como bomba de gua gelada, tanque de expanso, filtros, dispositivos de controle e segurana esto includos no mdulo hidrnico. Com o mdulo hidrnico projetado, instalado e testado em fbrica voc ir reduzir custos, tempo e espao de sua instalao. Com relao aos outros tipos de trocadores, operam com pequenas diferenas de temperatura entre os meios refrigerante e gua de processo, significando maior eficincia nos processos de evaporao e condensao, podendo ento serem aplicados compressores com menor deslocamento volumtrico. Com o trocador de placas o sistema requer baixo volume de refrigerante, podendo chegar 1/7 do volume de um sistema que utiliza trocadores Shell and Tube convencionais, significando menor peso final do equipamento e menor custo em caso de manuteno e recarga de gs.

_992511053.unknown

_1248356215.unknown

_1247934541.unknown

_992510708.unknown