Universidade Federal do Maranhão – UFMA

Centro de Ciências Exatas e Tecnologias – CCET

Departamento de Tecnologia Química

Professora: Dr. Marcela Kotsuka da Silva

Trocadores de Calor

Ana Beatriz da Paixão Ribeiro 2011004861

Italo Mateus Sousa Pereira 2011004905

Tatiana Borges Diniz 2011004979

São Luís-MA

2014

INTRODUÇÃO

O processo de troca de calor entre dois fluidos que estão em diferentes

temperaturas e separados por uma parede sólida ocorre em muitas aplicações

da engenharia. Os equipamentos usados para implementar esta troca são

denominados trocadores de calor, e aplicações específicas podem ser

encontradas em aquecimento e condicionamento de ambiente, recuperação de

calor, processos químicos, etc. Como aplicações mais comuns deste tipo de

equipamento temos: Aquecedores, resfriadores, condensadores, evaporadores,

torres de refrigeração, caldeiras, etc.

Os trocadores de calor 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.

Esse equipamento foi projetado para trocar calor entre fluidos, segundo as

leis da termodinâmica, e, portanto proporcionar o reaproveitamento da energia

térmica presente nos fluidos quentes. Dessa forma, ao conservar a energia, os

trocadores de calor tornam-se importantes ferramentas para a preservação do

meio ambiente.

TROCADORES DE CALOR

1.FUNCIONAMENTO

Existem três princípios diferentes em que se baseiam os trocadores de calor,

sendo o último o mais comum na indústria, pois não há contato entre os dois

fluídos, e assim podem ser reaproveitados. Os demais possuem aplicações

específicas.

1.1 Pela mistura de fluidos

Dois fluidos de temperaturas diferentes se misturam num único sistema,

alcançando uma mesma temperatura final. Pode ocorrer tanto em ambiente

aberto, quanto em sistema fechado.

1.2 Com armazenagem intermediária

Os fluidos quente e frio são escoados alternadamente na mesma passagem.

Quando o fluido quente atravessa a passagem, o calor é armazenado na parede

e no enchimento do trocador, em seguida o fluido frio atravessa o trocador de

calor e absorve o calor armazenado. Geralmente esse método é usado em

gases.

1.3 Através de uma parede que separa os fluidos

Os fluidos escoam no trocador sem contato direto, através de tubulações

distintas, separadas por paredes de alta condutibilidade térmica. Geralmente

essas paredes são feitas de metais, como o cobre e o alumínio, ou ligas

metálicas. 5 O escoamento pode ser dado de duas formas, em correntes

paralelas, em que os dois fluidos entram do mesmo lado do trocador e fluem no

mesmo sentido, ou entram em lados opostos e fluem em sentido contrário; ou

em correntes cruzadas, onde os fluidos escoam perpendicularmente.

De modo geral, o escoamento em corrente cruzada é bastante aplicado em

aquecimento de gases e sistemas de refrigeração.

2. TIPOS E CLASSIFICAÇÃO DOS TROCADORES DE CALOR

2.1 Classificação quanto ao tipo de corrente

2.1.1 Correntes paralelas

Nesse arranjo, os fluidos quente e frio entram pela mesma extremidade,

escoam no mesmo sentido e saem pela mesma extremidade.

2.1.2 Correntes contrárias/Contracorrentes

No arranjo de correntes contrárias os fluidos entram por extremidades opostas,

escoam e saem por extremidades opostas.

Figura 2.1.2 Escoamento correntes paralelas e contrárias.

2.1.3 Correntes cruzadas

Nesse tipo de arranjo, um fluido escoa perpendicular ao outro. São diferidos

pelo fato de serem misturados ou não-misturados, devido a aletas que não

Classificação dos trocadores de calor

Tipo de Corrente Tipo de Estrutura Natureza da Transferência de Calor

permitem o escoamento em duas direções. Chamamos de fluido misturado

aquele onde no arranjo não existem aletas, permitindo o escoamento em duas

direções e não-misturado aquele onde existem aletas paralelas permitindo o

escoamento numa única direção.

Figura 2.1.3 Escoamentos correntes cruzada.

2.2 Classificação quanto ao tipo de estrutura

2.2.1 Trocadores Tubular

São geralmente construídos com tubos circulares, existindo uma variação de

acordo com o fabricante. São usados para aplicações de transferência de calor

líquido/líquido (uma ou duas fases). Eles trabalham de maneira ótima em

aplicações de transferência de calor gás/gás, principalmente quando pressões

Classificação quanto à estrutura

Tubular Tipo placa

Casco Tubo Tubo duplo Serpentina

e/ou temperaturas operacionais são muito altas onde nenhum outro tipo de

trocador pode operar. Estes trocadores podem ser classificados como carcaça e

tubo, tubo duplo e de espiral.

2.2.1.1 Tubo Duplo

Os trocadores de duplo tubo são o tipo mais comum de trocador de calor. São

compostos de dois tubos concêntricos, geralmente retos com conexões em sua

trajetória. Podem ser arranjados em forma de “U” que permite a conexão em

série dos trocadores, chamado de grampo.

Esse tipo de trocador de calor possui grande facilidade de construção e de

montagem, possui fácil manutenção e limpeza. É geralmente usado em

aplicações de pequenas capacidades.

Figura 2.1.1 - Trocador de calor de

duplo tubo. Um dos fluidos escoa apenas na direção axial (amarelo) e o outro pela casca do

tubo (cinza).

2.2.1.2 Casco e Tubo

Este trocador é construído com tubos e uma carcaça. Um dos fluidos passa por

dentro dos tubos, e o outro pelo espaço entre a carcaça e os tubos. Existe uma

variedade de construções diferentes destes trocadores dependendo da

transferência de calor desejada, do desempenho, da queda de pressão e dos

métodos usados para reduzir tensões térmicas, prevenir vazamentos, facilidade

de limpeza, para conter pressões operacionais e temperaturas altas, controlar

corrosão, etc.

Trocadores de carcaça e tubo são os mais usados para quaisquer

capacidade e condições operacionais, tais como pressões e temperaturas altas,

atmosferas altamente corrosivas, fluidos muito viscosos, misturas de

multicomponentes, etc. Estes são trocadores muito versáteis, feitos de uma

variedade de materiais e tamanhos e são extensivamente usados em processos

industriais.

2.2.1.3 Serpentina

Este tipo consiste de uma ou mais serpentinas ordenada em uma carcaça. A

serpentina é formada por um tubo cilíndrico dentro do qual escoa o vapor ou

fluido que trocará calor com o fluido que está presente dentro da carcaça. Esse

tipo de trocador possui alta eficiência e as expansões térmicas não são

problemas, porém a limpeza é complicada, pois muitas vezes os fluidos de fora

da serpentina pode conter sais como cálcio e magnésio que aderem a sua

superfície da serpentina, o que dificulta a troca de calor entre o fluido da carcaça

e o vapor que circula dentro da serpentina provocando condensações

inadequadas. Esses sais são facilmente eliminados usando -se detergentes

ácidos. Como vantagem é que uma grande superfície de troca térmica pode ser

acomodada dentro de um determinado espaço de carcaça.

2.2.2 Trocadores tipo placa

São feitos de uma série de placas estampadas de aço inox, separadas por

gaxetas de borracha que são colocadas em cada placa. Essas placas são

dispostas em paralelo de forma alternada, aparafusadas entre estruturas para

formar canais através dos quais fluem os meios líquidos, quente e frio. Esses

canais proporcionam maior velocidade e turbulência, com a finalidade de

eliminar áreas de estagnação de líquido, promovendo a máxima transferência de

calor.

O fluido quente percorre um lado da placa, enquanto o fluido frio flui no outro

lado. As gaxetas vedam os canais e definem o sentido do fluxo. Como os líquidos

fluem em sentido contrário nos canais entre as placas, o líquido frio esquenta e

o líquido quente esfria. Os bocais de entrada e de saída são instalados na

estrutura de aço fixa, para facilitar o arranjo das tubulações e proporcionar

facilidade de desmontagem para limpeza. Geralmente, este trocador não pode

suportar pressões muito altas, comparado ao trocador tubular equivalente.

Figura 2.2.2 Princípios de funcionamento de um trocador de calor de placas.

2.3 Classificação quanto a natureza da transferência de calor

2.3.1 Trocador de calor de mistura ou de contato direto

Nessa classe os fluidos entram em contato direto, ou seja, o fluido de maior

temperatura cede calor ao de menor temperatura até que ambos atinjam a

temperatura de equilíbrio.

Natureza da transferência de calor

Contato direto Contato indireto

Transferência

direta

Tipo Armazenamento

Esses trocadores de calor possuem uma maior taxa de transferência de calor

do que os trocadores de contato indireto, devido a ocorrência da transferência

de massa. A construção é relativamente barata, se comparada aos de contato

indireto, porém sua utilização se restringe a processos em que a transferência

de massa é admissível.

As torres de resfriamento dos processos de umidificação são os exemplos

mais comuns de trocadores de calor de contato direto. Um filme líquido escoa

pela torre e o ar quente ascende, de modo a resfriar o ar umidificando-o.

Figura 2.3.1 – Torre de resfriamento.

2.3.2 Trocador de superfície ou d conato indireto

Em um trocador de contato indireto, os fluidos permanecem separados e o calor

é transferido continuamente através de uma parede, pela qual se realiza a

transferência de calor. Os trocadores de contato indireto classificam-se em:

transferência direta

armazenamento

2.3.2.1 Transferência direta

Neste tipo, há um fluxo contínuo de calor do fluido quente ao frio através de uma

parede que os separa. Não há mistura entre eles, pois cada corrente permanece

em passagens separados. Este trocador é designado como um trocador de calor

de recuperação, ou simplesmente como um recuperador. Alguns exemplos de

trocadores de transferência direta são trocadores de:

placa

tubular

superfície estendida

Recuperadores constituem uma vasta maioria de todos os trocadores de

calor.

2.3.2.2 Armazenamento

Em um trocador de armazenamento, os ambos fluidos percorrem

alternativamente as mesmas passagens de troca de calor. A superfície de

transferência de calor geralmente é de uma estrutura chamada matriz. Em caso

de aquecimento, o fluido quente atravessa a superfície de transferência de calor

e a energia térmica é armazenada na matriz. Posteriormente, quando o fluido frio

passa pelas mesmas passagens, a matriz “libera” a energia térmica (em

refrigeração o caso é inverso). Este trocador também é chamado regenerador.

3 COEFICIENTE GLOBAL DE TROCA DE CALOR

Em transferência de calor, o conceito de Coeficiente Global de Troca de Calor,

U, é apresentado como uma maneira de sistematizar as diferentes resistências

térmicas equivalentes existentes num processo de troca de calor entre duas

correntes de fluido, por exemplo. A partir da lei do resfriamento de Newton:

).(. TTAhq ss (3.1)

que envolve a temperatura da superfície exposta a uma das correntes de fluido,

estendemos o raciocínio para envolver outras partes do sistema.

Em diversos momentos ao longo do curso de transferência de calor,

estudamos a troca de calor entre fluidos e superfícies divisoras do escoamento.

Com as hipóteses de regime permanente, ausência de fontes, etc; utilizamos o

conceito das resistências térmicas equivalentes e eventualmente apresentamos

o Coeficiente Global de Troca de Calor, U. Vejamos dois exemplos:

parede plana

parede cilíndrica

Dando origem ao circuito térmico equivalente:

Ou seja, nestas condições, o calor trocado foi escrito como:

).(. 21 bbs TTAUq (3.2)

onde Tb indica a temperatura média de mistura de cada um dos fluidos.

Parede cilíndrica:

Consideremos a transferência de calor entre os fluidos do casco e dos

tubos nos feixes de tubos de um trocador multitubular, como mostra a figura. O

calor trocado entre os fluidos através das superfícies dos tubos pode ser obtido

considerando as resistências térmicas:

.

1

.

1

ee

cond

ii

total

t

total

AhR

Ah

T

R

Tq

, onde : (3.3)

fluidos os entre ra temperatude diferença totalT

A Ai e, áreas superficiais interna e externa dos tubos

Considerando que a resistência térmica a convecção na parede dos tubos de um

trocador é desprezível (tubos de parede fina e de metal), a equação 3.3 pode

ser rescrita da seguinte forma :

h hi e, coeficientes de película dos fluidos interno e externo

Rcond resistência térmica a condução nos tubos

1

.

.

eii

e

totale

hAh

A

TAq

(3.4)

Como o objetivo do equipamento é facilitar a troca de calor, os tubos metálicos

usados são de parede fina ( ri e ). Portanto, as áreas da superfícies interna

e externa dos tubos são aproximadamente iguais, ou seja, Ai e. Assim, temos

que :

11

.

ei

totale

hh

TAq

(3.5)

O coeficiente global de transferência de calor em um trocador ( UC ) é definido

assim :

(3.6

A equação 1.6 pode ser colocada na seguinte forma :

(3.7)

Levando a equação 3.7 na equação 3.5 a expressão para a transferência de

calor em um trocador fica assim :

.. totaleC TAUq (3.8)

Quando estudamos a troca de calor por convecção no interior de dutos e

canais, começamos a relaxar a hipótese de temperatura média de mistura

constante ao longo do escoamento. Consideramos duas situações para a

condição térmica: fluxo de calor constante ou temperatura superficial constante.

Após a devida análise, determinamos como a temperatura média de mistura do

fluido varia do comprimento da superfície:

Fluxo constante de calor na parede:

U

h h

C

i e

1

1 1

1 1 1

U h hC i e

ib

p

b Txcm

PqxT ,

"

)(

ib

p

b Txcm

PqxT ,

.

"

(3.9)

Temperatura superficial constante:

piibs

bs

cm

xAh

T

xT

TT

xTT

.

)(exp

)()(

,

(3.10)

onde, Tb,i indica a temperatura média de mistura na entrada do equipamento

de troca de calor.

A situação em um trocador de calor é um pouco mais complicada pois não temos

mais informações sobre o fluxo de calor na parede ou sobre a temperatura

superficial (na verdade, só podemos garantir é que não serão mais constantes).

Felizmente, a maioria dos conceitos já discutidos se aplicam aqui, permitindo

uma análise simples.

Uma primeira consideração deve ser feita sobre as possíveis

variações de temperatura de cada fluido ao longo do trocador, em função da

direção com que as correntes seguem. As direções relativas do escoamento são

especificadas abaixo e mostradas na figura adiante:

Correntes opostas: quando as correntes escoam em direções

opostas – situação (a)

Correntes paralelas: quando as correntes seguem na mesma

direção – situação (b)

Correntes cruzadas: quando as correntes seguem em ângulos de

90o - situação (c)

O projeto de trocadores de calor usualmente começa com a determinação

da área de troca de calor necessária para acomodar uma determinada condição

térmica de uma ou das duas correntes, que entram no trocador a determinadas

temperaturas e vazões e precisam sair em determinadas temperaturas, por

exemplo, especificadas em algum ponto da linha de produção.

Arranjos Básicos de Trocadores:

Um tipo muito comum de trocador de calor é o conhecido como carcaça e tubos,

como mostrado abaixo:

Nesta situação, temos um volume externo, do casco, que abriga inúmeros tubos

que podem fazer vários passes. Na situação, tem-se que o fluido que escoa

pelos tubos passa por dois passes enquanto que o fluido na carcaça segue um

único passe.

A análise das condições de troca de calor em situações com diversos

passes é bastante complexa.

3.1 MÉDIA LOGARÍTMICA DAS DIFERENÇAS DE TEMPERATURAS

Um fluido dá um passe quando percorre uma vez o comprimento do trocador.

Aumentando-se o número de passes, para a mesma área transversal do

trocador, aumenta a velocidade do fluido e portanto o coeficiente de película,

com o consequente aumento da troca de calor. Porém, isto dificulta a construção

e limpeza e encarece o trocador. A notação utilizada para designar os números

de passes de cada fluido é exemplificada na figura.

Com relação ao tipo de escoamento relativo dos fluidos do casco e dos tubos,

ilustrados na figura, podemos ter escoamento em correntes paralelas (fluidos

escoam no mesmo sentido) e correntes opostas (fluidos escoam em sentidos

opostos).

O fluido quente (tubo central) entra à temperatura Tq,e e sai à temperatura

Tq,s. Por outro lado, o fluido frio (entre o tubo central e a carcaça) entra à

temperatura Tf ,e e sai à temperatura Tf ,s. O comprimento do trocador é L e a área

é A.

Para cada um destes casos de escoamento relativo à variação da

temperatura de cada um dos fluidos ao longo do comprimento do trocador pode

ser representada em gráfico,.

As diferenças de temperatura entre os fluidos nas extremidades do

trocador, para o caso de correntes paralelas, são : (Tq,e – Tf ,e) e (Tq,s - Tf ,s). No

caso de correntes opostas, as diferenças de temperatura nas extremidades

(Tq,e – Tf ,s) e (Tq,s – Tf ,e).

O fluxo de calor transferido entre os fluidos em um trocador é diretamente

proporcional à diferença de temperatura média entre os fluidos. No trocador de

calor de correntes opostas à diferença de temperatura entre os fluidos não varia

tanto, o que acarreta em uma diferença média maior. Como conseqüência,

mantidas as mesmas condições, o trocador de calor trabalhando em correntes

opostas é mais eficiente.

Como a variação de temperatura ao longo do trocador não é linear, para retratar

a diferença média de temperatura entre os fluidos é usada então a Média

Logarítmica das Diferenças de Temperatura (MLDT).

Desenvolvimento do cálculo de (MLDT):

No nosso estudo, iremos considerar uma área elementar dA, de troca de

calor em um trocador de correntes paralelas, e depois integrar os resultados por

toda a área.

Hipóteses:

Regime permanente

Calores específicos não são funções da temperatura (caso varie muito se

deve usar um valor médio)

Escoamento totalmente desenvolvido (neste caso, o coef. Troca de calor

por convecção, h, e o coeficiente global, U, são constantes)

Para começar, vamos aplicar a primeira lei da termodinâmica para relacionar as

quantidades de troca de calor:

Do Fluxo Quente (FQ): qqpqq dTcmdq .. , (3.11)

Do Fluxo Frio (FF): ffpff dTcmdq .. , (3.12)

Invertendo as duas equações temos:

q

qpq

q dqcm

dT .1

,

(3.13)

(1.5)

f

fpf

f dqcm

dT .1

,

(3.14)

Como dqq = dqf são iguais podemos escrever que:

dqcmcm

TTdfpfqpq

fq

,,

11)(

(3.15)

Entretanto, devemos lembrar que, por definição, o calor trocado pode ser escrito

como:

).(. fq TTdAUdq (3.16)

onde U é o coeficiente global de troca de calor.

Substituindo (1.16) em (1.15) tem-se

).(..11

)(,,

fq

fpfqpq

fq TTdAUcmcm

TTd

(3.17)

Considerando as hipóteses feitas anteriormente, podemos separar as

variáveis e integrar a equação, desde A = 0 até A = A, obedecendo às

especificações:

Área Fluido Quente Fluido Frio Diferença

Entrada A = 0 Tq,e Tf ,e Tq,e- Tf ,e

Saída A = A Tq,s Tf ,s Tq,s- Tf ,s

Que resulta em:

AUcmcmTT

TT

fpfqpqefeq

sfsq..

11ln

,,,,

,,

(3.18)

Lembrando as expressões da primeira lei da termodinâmica para cada

uma das correntes, temos que:

).(. ,,, sqeqqpqq TTcmq (3.19)

).(. ,,, efsffpff TTcmq (3.20)

Entretanto, é claro que qq = qf , que chamaremos simplesmente de q. Assim

qTTTTcmcm

efsfsqeq

fpfqpq

/11

,,,,

,,

(3.21)

Substituindo a equação (3.21) na equação (3.18), obtemos

qAUTTTTTT

TTefsfsqeq

efeq

sfsq/..ln ,,,,

,,

,,

(3.22)

Isolando-se o q, temos

efeqsfsq

efsfsqeq

TTTT

TTTTAUq

,,,,

,,,,

/ln.. (3.23)

Que é do tipo TAUq .. . O termo entre chaves é conhecido como a diferença

média logarítmica de temperatura ou LMTD (do inglês Log Mean Temperature

Difference). Operando neste termo, podemos escrevê-lo de forma ligeiramente

diferente, mais usual:

saídaentrada

saídaentrada

TT

TTLMTD

/ln (3.24)

Com as seguintes definições:

efeqentrada TTT ,,

sfsqsaída TTT ,,

Para um trocador de calor de correntes paralelas, a entrada é óbvia.

Entretanto, para trocadores de correntes opostas ou cruzadas, a situação é um

pouco mais complexa. Por isto, é comum alterarmos a definição acima para uma

outra:

mínimamáxima

mínimamáxima

TT

TTLMTD

/ln (3.25)

4 CONDIÇÕES OPERACIONAIS E FATORES DE INFLUÊNCIA

De uma maneira geral, além do coeficiente de transferência de calor visto acima,

vários outros fatores influenciam no desempenho do trocador. Inclusive vários

desses fatores influenciam diretamente os coeficientes convectivos e as

resistências térmicas envolvidas.

4.1 Características dos fluidos

Quando se trata das características dos fluidos envolvidos no processo de troca

térmica, a condutibilidade térmica, a densidade, a viscosidade e o calor

específico são fatores altamente influenciáveis na eficiência dos trocadores de

calor. A maioria dessas propriedades, além de influenciar no desempenho do

dispositivo, são funções da temperatura, variando ao longo do processo. Todas

essas variáveis e variações devem ser levadas em conta e desprezadas apenas

quando forem realmente desnecessárias.

Além dessas propriedades, condições operacionais que influenciam na vida

útil do trocador e na segurança da operação também devem ser levadas em

conta. Corrosividade, toxicidade, inflamabilidade e abrasividade são fatores de

risco para a operação e os operadores, de forma que as medidas necessárias

devem ser tomadas para evitar danos.

4.2 Temperaturas de operação

De acordo com cada processo que envolva determinado trocador de calor, as

temperaturas de operação e o tempo necessário para atingi-las devem ser

especificados. Materiais que aguentem grandes variações de temperatura

devem ser utilizados em processos muito rápidos, além de que os fluidos possam

receber quantidades de calor sem perder características necessárias ao

processo. Mudanças de fase devem ser levadas em conta, para substâncias

puras e misturas, para que as temperaturas sejam realmente atingidas.

4.3 Pressões de operação

Na maioria das vezes quando há gases em processo a pressão é fator

extremamente importante na troca térmica. Altas pressões podem acarretar em

danos ao equipamento e perigoso de explosões e vazamentos, enquanto que

pressões muito baixas podem diminuir consideravelmente a troca térmica

efetiva.

4.4 Velocidade de escoamento

A velocidade de escoamento no trocador de calor tem efeito no coeficiente global

de transferência de calor, pois quanto maior a turbulência mais efetiva será a

troca térmica. Entretanto, cotovelos podem causar grandes perdas de carga,

erosões ou depósitos de sujeira na tubulação. Um valor razoável de velocidade

deve ser obtido para cada tipo de processo, de modo a otimizar a troca térmica.

De todos esses fatores, ressaltamos as perdas de carga, problemas de

incrustações, entre outros fatores que devem ser estipulados de uma maneira

eficiente para o processo, minimizando perdas e consumo energético, além da

vida útil do equipamento. Conhecer o processo e seus fatores de influência é

imprescindível para os processos que envolvam as trocas de calor entre fluidos.

5 MONITORAMENTO E MANUTENÇÃO

Para que o trocador continue operando nas condições necessárias ao processo

o seu monitoramento deve ser efetuado continuamente. Métodos de

condutividade ou gás hélio podem confirmar a integridade das placas ou tubos

para prevenir contaminações e condições das juntas do trocador.

A monitoração das condições dos tubos pode ser conduzida através de

ensaios não destrutivos, que são testes que não comprometem as propriedades

físicas, químicas, mecânicas ou dimensionais e os mecanismos de fluxo de água

e depósitos são frequentemente simulados por fluidodinâmica computacional.

5.2 Incrustações

Como dito anteriormente, as incrustações são um problema sério na vida útil

e no desempenho do trocador de calor ao longo do tempo. Águas doces pouco

tratadas são frequentemente usadas como água de resfriamento, o que resulta

em detritos biológicos entrando no trocador e produzindo camadas, dificultando

a troca térmica. Outro problema é o chamado tártaro, que é composto de

camadas depositadas de compostos químicos, como carbonato de cálcio ou

carbonato de magnésio.

Para todos esses problemas de incrustações, existem os métodos de

aplicação de biocidas e produtos químicos em geral, com a devida consciência

de não utilizar produtos que acelerem a corrosão ou que sejam muito tóxicos

para o processo. Existem ainda mecanismos de monitoramento contínuo tal

como o sensor Neosens, que mede tanto a espessura das incrustações,

temperatura e permite aperfeiçoar a utilização de produtos químicos.

5.3 Manutenção

Um dos métodos principais de evitar as incrustações citadas acima é fazer a

devida limpeza e manutenção do trocador ao longo do tempo de uso. Os

trocadores de calor precisam ser desmontados e limpos periodicamente, por

métodos de limpeza ácida, jateamento e/ou jatos de água de alta pressão.

Os sistemas de refrigeração de água para trocadores de calor, tratamento de

água tal como purificação, a adição de produtos químicos e testes, são usados

para minimizar as sujeiras presentes ao longo do tempo. Outros tratamentos de

água também são usados em sistemas de vapor para usinas de energia, por

exemplo, para minimizar a incrustação e corrosão dos componentes dos

trocadores de calor.

6 APLICAÇÕES

É praticamente impossível que em uma indústria não haja a utilização do calor

em determinado processo, e é nesse ponto em que os trocadores de calor

desempenham necessidades. Até aqui vimos os seus tipos, critérios e

características e o seu princípio de funcionamento, de forma a estarmos aptos a

entender as aplicações industriais dos trocadores de calor.

Podemos imaginar uma infinidade de aplicações para este dispositivo, a

transferência otimizada e a conservação de energia sob a forma de calor é um

desafio constante, trocadores de calor mais eficientes e mais baratos já é uma

grande necessidade. Trocar e utilizar o máximo de calor possível sem perdas é

o maior objetivo das aplicações citadas a seguir.

6.2 Caldeiras

As caldeiras são grandes tanques de calor, onde um líquido pressurizado

receber calor e vaporiza, de modo a ser utilizado em vários outros equipamentos

e processos na indústria, grande maioria no uso do vapor para ceder calor a

determinados locais.

A fonte de calor das caldeiras é a queima de alguma substância combustível,

geralmente carvão ou madeira, e em poucas ocasiões o petróleo ou gás natural.

Existem também as caldeira para usos restritos, onde a maioria são elétricas,

consumindo grandes quantidades de energia elétrica.

A maioria dos modelos de caldeira aquecem a água pressurizada até a

condição de vapor saturado, entretanto existem as que produzem vapor

superaquecido, entretanto não muito recomendáveis devido à grande

temperatura de exaustão do combustível utilizado, diminuindo a eficiência global

da planta.

Figura 6.2 – Princípio de funcionamento de uma caldeira. A água é alimentada por tubos

e na saída o vapor é liberado (azul). Os gases quentes oriundos da queima saem por

outra tubulação (amarelo).

6.3 Evaporadores

Existem diversos tipos de evaporadores, onde feixes de tubos promovem a

retirada ou a adição de calor a determinado local. Na refrigeração o evaporador

geralmente é uma caixa onde um fluido refrigerante remove calor da mesma e

libera em outra extremidade. Evaporadores de concentração de soluções

promovem o aumento da concentração de determinadas soluções pela adição

de calor latente adicionado por tubulações de vapor geralmente oriundas da

caldeira.

Figura 6.3 – Evaporador utilizado na concentração de soluções.

6.4 Recuperadores de calor

É um tipo de trocador de calor comumente utilizado para aproveitar o calor

gerado por gases quentes, como os gases produtos das queimas em caldeiras

e outros equipamentos, diminuindo o gasto energético com aquecimento. O

termo recuperador refere-se também para trocadores de calor em

contracorrente líquido-líquido usado em indústrias químicas e refinarias e em

processos fechados.

Figura 6.4 – Recuperador de calor industrial.

7 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 adequadamento 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.